覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)cfd模擬方法

0覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)的數(shù)值模擬在一定的氣候條件下，導(dǎo)線可能形成風(fēng)的表面，并在橫向風(fēng)的作用下產(chǎn)生上升、阻力和扭轉(zhuǎn)。職波賽的搖擺是風(fēng)梯度下的一條偏差過載線的低頻、顯著的自激振動。中國是世界上最嚴(yán)重的坦架電線路覆蓋欺詐運(yùn)動最嚴(yán)重的國家之一。隨著近年來特高壓電路的發(fā)展，欺詐事故頻發(fā)，影響范圍廣，造成嚴(yán)重的損失，嚴(yán)重危及了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)激勵下的氣動力系數(shù)及其隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律是導(dǎo)線舞動的關(guān)鍵因素,關(guān)于覆冰導(dǎo)線氣動力特性研究,已有大量的試驗(yàn)和數(shù)值分析成果.早期,Chabartu3000O等和李萬平等系統(tǒng)地測量了不同工況覆冰單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線模型的氣動力系數(shù),并且得到許多有意義的結(jié)論.近年來,中國電力科學(xué)研究院對不同冰型、冰厚、來流風(fēng)速、導(dǎo)線型號下的覆冰導(dǎo)線開展了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,積累了豐富的氣動力試驗(yàn)數(shù)據(jù)并總結(jié)了相應(yīng)的氣動力特性規(guī)律.但是,風(fēng)洞試驗(yàn)作為覆冰導(dǎo)線動力學(xué)研究的重要方法,存在費(fèi)用高、周期長的局限性,無法滿足實(shí)際工程中冰型、冰厚、來流風(fēng)速的隨機(jī)性和導(dǎo)線型號、分裂數(shù)目的多樣性需求,因此有必要采用數(shù)值模擬的方法.呂翼等和林巍等采用數(shù)值模擬結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)研究的方法對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)進(jìn)行研究,考察了數(shù)值模擬在一定程度上代替風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性.此外,不少學(xué)者在風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)的某一影響因素進(jìn)行了規(guī)律性研究,但系統(tǒng)全面的對覆冰導(dǎo)線氣動特性進(jìn)行規(guī)律性研究的成果較少.為此,本文采用數(shù)值模擬結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的方法對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,針對影響覆冰導(dǎo)線氣動力特性的主要因素進(jìn)行規(guī)律性研究.采用FLUENT模擬覆冰導(dǎo)線周圍的空氣流場,建立二維CFD模型.首先通過對湖北省中山口扇形覆冰分裂導(dǎo)線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析,驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確度和可靠性,在此基礎(chǔ)上將該CFD數(shù)值模擬方法應(yīng)用至更多工況下的覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)模擬中.重點(diǎn)考察了覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)隨冰型、冰厚、來流風(fēng)速、導(dǎo)線分裂數(shù)目的影響規(guī)律,形成了一套實(shí)用、準(zhǔn)確并在一定程度上可以代替風(fēng)洞試驗(yàn)的覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)數(shù)值模擬方法,得到的氣動力系數(shù)變化規(guī)律對舞動分析和防舞技術(shù)研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.1覆冰導(dǎo)線cfd模型覆冰導(dǎo)線的氣動力可表示為阻力FD、升力FL和扭矩M,將氣動力無量綱化可得氣動力系數(shù)定義如下:其中阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL、扭矩系數(shù)CM、以及阻力FD、升力FL、扭矩M均為風(fēng)攻角α的函數(shù),ρ、V、d分別為流場密度、來流風(fēng)速和導(dǎo)線直徑.在進(jìn)行覆冰導(dǎo)線氣動力特性的規(guī)律性研究前,首先將湖北省中山口扇形覆冰分裂導(dǎo)線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確度和可靠性.驗(yàn)證模型采用如圖1所示湖北省中山口三分裂扇形覆冰導(dǎo)線模型,導(dǎo)線直徑為32.76mm,覆冰厚度為18mm.選取流場區(qū)域?yàn)橐痪匦螀^(qū)域,區(qū)域大小經(jīng)過多次試算,在滿足精度要求的前提下盡量減小計(jì)算量,設(shè)定為35D×55D,D為導(dǎo)線的直徑,三分裂導(dǎo)線呈等邊三角形排布,子導(dǎo)線間的距離為0.78m,采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散計(jì)算區(qū)域,在覆冰分裂導(dǎo)線整體所在中心區(qū)域網(wǎng)格局部次加密,每根子導(dǎo)線周圍區(qū)域網(wǎng)格重點(diǎn)加密,整體網(wǎng)格及局部細(xì)化網(wǎng)格分別如圖2、圖3所示.入口為速度入口邊界條件,出口為出流邊界條件,上下界面為對稱邊界條件,湍流模型選擇Spalart-Allmaras,采用分離非定常二階隱式算法,非穩(wěn)態(tài)時(shí)間步長設(shè)置為0.001.在計(jì)算過程中,對阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)進(jìn)行殘差監(jiān)測,當(dāng)其在迭代過程中基本不變化時(shí),認(rèn)為計(jì)算區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1×10-5.圖1所示風(fēng)向定義為0°風(fēng)攻角,通過將覆冰導(dǎo)線整體繞其圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)來改變覆冰導(dǎo)線在流場中的風(fēng)攻角.由于導(dǎo)線間距相對于導(dǎo)線直徑比較大,尾流影響很小,因此各子導(dǎo)線的氣動力系數(shù)曲線基本重合.圖4所示為三分裂扇形覆冰導(dǎo)線其中一根子導(dǎo)線在風(fēng)速為14m/s工況下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值解對比.從圖4可以看出,在大部分風(fēng)攻角下數(shù)值解與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,僅是阻力系數(shù)在150°風(fēng)攻角以后偏差較大,由于一般情況下覆冰導(dǎo)線風(fēng)攻角不會大于150°,因此該CFD模型及數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確可靠,誤差在控制范圍以內(nèi),進(jìn)一步可以將該數(shù)值模擬方法推廣至更多覆冰導(dǎo)線工況下的氣動力系數(shù)計(jì)算中.2u3000氣動力系數(shù)規(guī)律的研究2.1覆冰導(dǎo)線典型冰型典型覆冰形狀除了圖1所示扇形冰型外,還有如圖5所示新月形覆冰和D形覆冰,其中d為導(dǎo)線直徑,h為覆冰厚度.為了考察覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)隨覆冰形狀的變化規(guī)律,選取四分裂導(dǎo)線型號為LGJ400/35,冰厚均為10mm的三種典型冰型,在風(fēng)速為10m/s工況下的其中一根子導(dǎo)線氣動力系數(shù)如圖6.由圖6可知,D形、扇形和新月形覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)絕對值依次減小,且氣動力系數(shù)曲線的波動性逐次降低,原因在于相同導(dǎo)線直徑和覆冰厚度情況下,D形覆冰的總體幾何尺寸最大,扇形次之,新月形最小,也即迎風(fēng)截面尺寸的大小決定了氣動力系數(shù)的大小,且不同的覆冰導(dǎo)線剖面會表現(xiàn)出不同的氣動力特性.2.2覆冰厚度對氣動力系數(shù)的影響考察覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)隨覆冰厚度變化規(guī)律,選取四分裂導(dǎo)線型號為LGJ400/35,冰厚分別為5mm、10mm及15mm新月形冰型,在風(fēng)速為10m/s工況下的其中一根子導(dǎo)線氣動力系數(shù)如圖7.可見覆冰厚度對阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)均有一定的影響,但影響規(guī)律不盡相同.升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的絕對值隨覆冰厚度的增大而增大,而阻力系數(shù)在0°-30°和150°-180°區(qū)間內(nèi)隨覆冰厚度的增大而減小,在30°-150°區(qū)間內(nèi)隨覆冰厚度的增大而增大.通過數(shù)值模擬總結(jié)得到的氣動力系數(shù)隨覆冰厚度變化規(guī)律與文獻(xiàn)中通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的規(guī)律一致.2.3風(fēng)速對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)的影響考察覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律,選取四分裂導(dǎo)線型號為LGJ400/35,冰厚為10mm新月形冰型,在風(fēng)速分別為7m/s、10m/s和15m/s工況下的其中一根子導(dǎo)線氣動力系數(shù)如圖8,由圖可知風(fēng)速對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)的影響不是很明顯,不同風(fēng)速下的氣動力系數(shù)曲線基本一致,在低風(fēng)速情況下存在一定的偏離,隨著風(fēng)速的增加,不同風(fēng)速下的氣動力系數(shù)的差異將越來越小,這也在一定程度上解釋了覆冰導(dǎo)線舞動的這一現(xiàn)象:并非風(fēng)速越大舞動幅度越大,而是在風(fēng)速達(dá)到某一特定值時(shí),舞幅最大.總體而言,在一定的風(fēng)速范圍內(nèi),來流風(fēng)速對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)影響不大,計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)速對氣動力系數(shù)的影響規(guī)律與文獻(xiàn)一致.2.4風(fēng)攻角工況下分裂導(dǎo)線氣動力系數(shù)的修正考察覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)隨分裂數(shù)目變化規(guī)律,選取導(dǎo)線型號為LGJ400/35的D形覆冰單導(dǎo)線及四分裂導(dǎo)線,冰厚5mm,在風(fēng)速為7m/s工況下的其中一根子導(dǎo)線氣動力系數(shù)如圖9.由圖可知,在大部分風(fēng)攻角情況下,分裂導(dǎo)線的整體氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線與單導(dǎo)線基本相似,只是在某些風(fēng)攻角下,流場后方子導(dǎo)線處于前方子導(dǎo)線的尾流影響區(qū)內(nèi)時(shí),氣動力系數(shù)會存在一定的差異.因此,分裂數(shù)目對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)的影響直接取決于導(dǎo)線間距與覆冰導(dǎo)線尺寸比的大小,當(dāng)子導(dǎo)線之間的距離遠(yuǎn)大于導(dǎo)線本身尺寸時(shí),分裂導(dǎo)線各根子導(dǎo)線的氣動力系數(shù)與單導(dǎo)線的氣動力系數(shù)將非常接近,也即當(dāng)導(dǎo)線間距與導(dǎo)線直徑比達(dá)到一定程度時(shí),可將單導(dǎo)線的氣動力系數(shù)數(shù)據(jù)推廣至分裂導(dǎo)線,只需對尾流影響較大的風(fēng)攻角工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的修正或者重新計(jì)算即可,大幅的縮減了氣動力系數(shù)的計(jì)算量.3覆冰厚度對覆冰動力系數(shù)的影響本文在數(shù)值模擬結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)進(jìn)行規(guī)律性研究,獲得的主要結(jié)論如下:(1)冰型對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)有很大的影響,在相同冰厚及來流風(fēng)速條件下,氣動力系數(shù)隨D形覆冰、扇形覆冰、新月形覆冰逐次降低.(2)冰厚對覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)有一定的影響,但影響規(guī)律不盡相同.升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的絕對值隨冰厚的增大而增大;阻力系數(shù)在0°-30°和150°-180°區(qū)間內(nèi)隨冰厚的增大而減小,在30°-15