覆冰四分裂導(dǎo)線繞流問(wèn)題的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

由于自然風(fēng)濕，負(fù)冰線誘導(dǎo)跳舞，導(dǎo)致斷裂和塔架等事故。對(duì)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)及防治技術(shù)研究意義重大。覆冰導(dǎo)線因其非圓截面形狀,在風(fēng)場(chǎng)中產(chǎn)生的阻力、升力、扭矩等為誘發(fā)導(dǎo)線舞動(dòng)的重要因素。因此,覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力特性是研究舞動(dòng)及防治技術(shù)的前提條件。通常采用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量不同典型覆冰導(dǎo)線在不同風(fēng)速下的空氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律。李萬(wàn)平等對(duì)覆冰三分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)系數(shù)進(jìn)行測(cè)試;張宏雁等對(duì)典型覆冰四分裂導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試。由于風(fēng)洞試驗(yàn)代價(jià)昂貴,采用數(shù)值模擬方法研究覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性已引起重視。黃河等用有限差分方法和渦量法研究了新月形覆冰單導(dǎo)線的氣動(dòng)特性。Braun等采用流固耦合模型分析了雙分裂導(dǎo)線、三分裂和四分裂導(dǎo)線的擾流場(chǎng)。呂翼等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)新月形與扇形覆冰單導(dǎo)線和三分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。然而,由于數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果存在的明顯差異對(duì)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)特性影響如何,是數(shù)值模擬結(jié)果可否用于研究舞動(dòng)的可行性、有效性關(guān)鍵。而目前尚缺乏此項(xiàng)研究。據(jù)垂直及扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理,DenHartog系數(shù)和Nigol系數(shù)是影響導(dǎo)線舞動(dòng)特性兩個(gè)重要參數(shù)。為此,本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法模擬得到典型覆冰四分裂導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律。將數(shù)值模擬所得不同風(fēng)攻角下氣動(dòng)系數(shù)及DenHartog系數(shù)和Nigol系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)所得相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較分析。說(shuō)明采用數(shù)值模擬方法研究覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力特性的可行性和有效性。1擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),新月形覆冰為發(fā)生舞動(dòng)線路中常見(jiàn)冰型,本文以4XLGJ-400/50四分裂導(dǎo)線為對(duì)象,導(dǎo)線直徑27.6mm,新月形覆冰厚12mm。輸電線路導(dǎo)線弧垂相對(duì)檔距較小,屬小弧垂問(wèn)題。因此,可將導(dǎo)線在風(fēng)場(chǎng)中的擾流問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維模型,見(jiàn)圖1。利用Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件分析擾流場(chǎng),計(jì)算用有限體積法。湍流模型選用Spalart-Allmaras模型。該模型中,近壁的變量梯度較k-ε模型、k-ω模型中小得多,可使模型對(duì)數(shù)值誤差不敏感。流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用貼體網(wǎng)格,將具有復(fù)雜邊界的物理區(qū)域變換到規(guī)則計(jì)算區(qū)域,從而在數(shù)值計(jì)算中較準(zhǔn)確地滿足邊界條件,提高求解精度。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型,各子導(dǎo)線周圍區(qū)域加密,網(wǎng)格總數(shù)約60萬(wàn),如圖3所示。將覆冰導(dǎo)線模型表面壓強(qiáng)與切應(yīng)力在整個(gè)表面積分,得到作用在導(dǎo)線模型上的升力、阻力、扭矩,并無(wú)量綱化,即:式中:CD為阻力系數(shù),CL為升力系數(shù),CM為扭矩系數(shù),FD為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線模型阻力,FL為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線模型升力,FM為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線模型扭矩,p為流體密度,U∞為前方均勻來(lái)流速度,D為導(dǎo)線直徑,風(fēng)速取12m/s。2覆冰軸的空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)值的模擬結(jié)果2.1空氣動(dòng)力系數(shù)求取采用非穩(wěn)態(tài)分析,為確保計(jì)算精度,時(shí)間步長(zhǎng)取0.001s。計(jì)算結(jié)果表明,隨時(shí)間迭代步的增加,作用于導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力載荷逐漸趨于穩(wěn)定。在計(jì)算數(shù)值解穩(wěn)定后,即可采用式(1)求出相應(yīng)的空氣動(dòng)力系數(shù)。圖4為典型風(fēng)攻角下擾流場(chǎng)分布。從圖4可見(jiàn),風(fēng)攻角α=0°時(shí),子導(dǎo)線3受子導(dǎo)線1的尾流影響,子導(dǎo)線2、4不受影響;風(fēng)攻角α=45°時(shí),子導(dǎo)線3、4受子導(dǎo)線2、1的尾流影響;風(fēng)攻角α=135°時(shí),子導(dǎo)線1、4受子導(dǎo)線2、3的尾流影響;風(fēng)攻角α=180°時(shí),子導(dǎo)線1受子導(dǎo)線3的尾流影響,子導(dǎo)線2、4不受影響?？梢?jiàn),迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線尾流對(duì)背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線周圍流場(chǎng)影響明顯。此影響導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)變化明顯。2.2經(jīng)皮克氏原螯蝦空氣動(dòng)力系數(shù)denhartog相文獻(xiàn)給出與本文相同導(dǎo)線覆冰冰型情況下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。圖5為各子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值模擬值與風(fēng)洞試驗(yàn)值的比較?？梢?jiàn),數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)曲線的變化規(guī)律基本一致。α=0°時(shí),子導(dǎo)線1、2、4的阻力系數(shù)由于受風(fēng)截面積最小,阻力系數(shù)小;而子導(dǎo)線3由于受子導(dǎo)線1的尾流影響,阻力系數(shù)小于其它三根子導(dǎo)線。α=180°時(shí),子導(dǎo)線1的阻力系數(shù)小于其它三根子導(dǎo)線。α=45°附近,子導(dǎo)線3、4受子導(dǎo)線2、1的尾流影響,阻力系數(shù)降低。α=90°附近,子導(dǎo)線1、2、3的受風(fēng)面積最大,阻力系數(shù)達(dá)到峰值,而子導(dǎo)線4由于受子導(dǎo)線2的尾流影響而降低。α=135°附近,子導(dǎo)線1、4受子導(dǎo)線2、3尾流影響,阻力系數(shù)下降。各子導(dǎo)線的升力系數(shù)曲線在0°～180°范圍內(nèi)呈波狀變化。α=0°,α=90°,α=180°附近的升力系數(shù)接近0。α=45°附近,子導(dǎo)線3、4受子導(dǎo)線2、1的尾流影響,升力系數(shù)有所增加。α=45°附近,子導(dǎo)線1、2的扭矩系數(shù)達(dá)到最大值,而子導(dǎo)線3、4受尾流影響有所下降。另外,在α=0°,α=130°,α=180°附近,各子導(dǎo)線的扭矩系數(shù)接近0。上述結(jié)果表明,數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的各空氣動(dòng)力系數(shù)盡管隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律基本一致,但其大小卻存在明顯差異。根據(jù)DenHartog舞動(dòng)準(zhǔn)則,誘發(fā)垂直舞動(dòng)的覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力系數(shù)滿足:式中:左端為DenHartog系數(shù)。據(jù)Nigol舞動(dòng)準(zhǔn)則,誘發(fā)扭轉(zhuǎn)自激振動(dòng)的覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力系數(shù)滿足:式中:左端為Nigol系數(shù)。為此,利用式(2)、式(3)得DenHartog系數(shù)和Nigol系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線,如圖6所示?？梢?jiàn),采用數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的兩種系數(shù)差別很小。從舞動(dòng)激發(fā)機(jī)理看,只要兩系數(shù)相同,產(chǎn)生的舞動(dòng)模式也應(yīng)相同。即可用數(shù)值模擬所得空氣動(dòng)力系數(shù)模擬覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)。據(jù)DenHartog垂直舞動(dòng)機(jī)理,各子導(dǎo)線僅在風(fēng)攻角接近180°,及子導(dǎo)線3、4在40°～60°范圍內(nèi)會(huì)誘發(fā)垂直舞動(dòng),其它風(fēng)攻角情況下則不會(huì)。然而,當(dāng)分裂導(dǎo)線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),不滿足式(2)同樣會(huì)引發(fā)舞動(dòng)。由于DenHartog機(jī)理和Nigol機(jī)理均由單自由度模型或三自由度模型導(dǎo)出,實(shí)際情況更復(fù)雜。3磁線的旋轉(zhuǎn)值的模擬利用由數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)所得覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力系數(shù),用數(shù)值模擬典型線路段舞動(dòng),說(shuō)明數(shù)值模擬氣動(dòng)參數(shù)的可行性和有效性。3.1覆冰導(dǎo)線模型以典型500kV超高壓輸電線段,導(dǎo)線型號(hào)4XLGJ-400/50,檔距100m與200m。設(shè)覆冰為12mm厚新月形覆冰,覆冰導(dǎo)線物理參數(shù)見(jiàn)表1。采用Abaqus有限元軟件模擬兩線段在風(fēng)速12m/s下的舞動(dòng)過(guò)程。有限元模型中將間隔棒簡(jiǎn)化為正方形框架,采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散,每根覆冰子導(dǎo)線用具有扭轉(zhuǎn)自由度的索單元離散。導(dǎo)線模型兩端固定約束。氣動(dòng)載荷與導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程狀態(tài)有關(guān),利用Abaqus用戶單元子程序Uel施加氣動(dòng)載荷。覆冰四分裂導(dǎo)線的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖7。3.2導(dǎo)線擺動(dòng)對(duì)比分析檔距100m線段布置3個(gè)間隔棒,每個(gè)間隔棒質(zhì)量4.8kg。有限元模型中每根子導(dǎo)線劃分200個(gè)索單元,網(wǎng)格收斂性檢查表明,該結(jié)果精度足夠。為分析覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)特性,首先分析其動(dòng)力特性。計(jì)算得三個(gè)方向前三階固有頻率及模態(tài)如表2所示。圖8分別為采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)參數(shù)模擬得到的檔距100m覆冰四分裂導(dǎo)線舞動(dòng)過(guò)程中子導(dǎo)線1中點(diǎn)的水平位移、垂直位移與扭轉(zhuǎn)角的時(shí)間歷程。可見(jiàn)兩者均達(dá)到穩(wěn)定的舞動(dòng)狀態(tài),數(shù)值模擬氣動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的垂直振幅為2.21m,水平振幅為0.23m,扭轉(zhuǎn)角為3.11°;風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的垂直振幅為2.19m,水平振幅為0.30m,扭轉(zhuǎn)角為3.80°。圖9為該導(dǎo)線中點(diǎn)的舞動(dòng)軌跡,可見(jiàn)兩組參數(shù)下對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)均為垂直舞動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明,兩組參數(shù)對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)均以單半波為主。圖10為導(dǎo)線舞動(dòng)過(guò)程中子導(dǎo)線1中點(diǎn)位移響應(yīng)頻譜分析結(jié)果,可見(jiàn),兩組氣動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)頻率均集中在0.83Hz附近,接近覆冰導(dǎo)線垂直方向單半波模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率,表明導(dǎo)線舞動(dòng)模式均為單半波垂直舞動(dòng)模式。即雖然兩組參數(shù)對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)幅值存在差異,但舞動(dòng)模式一致。而對(duì)舞動(dòng)機(jī)理的理解及防治技術(shù)研究,后者為關(guān)鍵因素。3.3覆冰四分裂導(dǎo)線地震波分析檔距200m線段上布置5個(gè)間隔棒,每個(gè)間隔棒的質(zhì)量仍為4.8kg。有限元模型中每根子導(dǎo)線劃分400個(gè)索單元。三個(gè)方向的前三階固有頻率及模態(tài)見(jiàn)表2。圖11為覆冰四分裂導(dǎo)線中點(diǎn)舞動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的軌跡,可見(jiàn)兩組參數(shù)對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)仍為垂直舞動(dòng)。圖12分別為兩組氣動(dòng)力參數(shù)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線舞動(dòng)過(guò)程中子導(dǎo)線1中點(diǎn)位移響應(yīng)頻譜分析結(jié)果。從圖中可見(jiàn),兩組氣動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的舞動(dòng)頻率均集中在0.45Hz附近,接近覆冰導(dǎo)線垂直方向上單半波模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率,表明導(dǎo)線舞動(dòng)模式均為單半波垂直舞動(dòng)模式。4gol曲線模擬結(jié)果本文用數(shù)值方法得到典型覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力參數(shù)隨風(fēng)攻角的變化,對(duì)所得結(jié)果的可行性和有效性進(jìn)行分析,結(jié)論如下:(1)采用數(shù)值模擬方法所得典型新月形覆冰四分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線氣動(dòng)系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果一致,但數(shù)值大小存在明顯差異。(2)基于數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的氣動(dòng)參數(shù)的DenHartog系數(shù)和Nigol系數(shù)均非常接近。(3)對(duì)典型覆冰四分裂線段的舞動(dòng)模擬結(jié)果表明,采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)參數(shù)得到的導(dǎo)線舞動(dòng)幅值存在差異,但舞動(dòng)模式一致。(4)鑒于舞動(dòng)模式是理解誘發(fā)機(jī)理和研究舞動(dòng)防治技術(shù)的關(guān)鍵,采用數(shù)值模擬方法得到的空氣動(dòng)力系數(shù)可用于導(dǎo)線舞動(dòng)及防治技術(shù)的研究。計(jì)算模型如圖2所示。四分裂導(dǎo)線與子導(dǎo)線間距0.45m,為保證邊界穩(wěn)定來(lái)流,計(jì)算區(qū)域設(shè)為12m×12m。風(fēng)攻角α的變化范圍取0°～180°,導(dǎo)線初始攻角45°,每隔5°作一個(gè)工況計(jì)算。為簡(jiǎn)化,對(duì)不同風(fēng)攻角工況,保持模型及網(wǎng)格不變,只改變