CN104964808A - 一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法 - Google Patents

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周超
李力
刘衍平
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Abstract

本发明提供一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，即实验与CFD数值模拟混合子结构方法。包括以下步骤：(1)研制模拟风洞实验台；(2)构建实验用输电导线模型；(3)测试装置获取模型面内外振幅和频率；(4)将实验得到的模型振动响应作为动边界施加到CFD流场子结构；(5)仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟计算得出导线振动的非定常气动力系数。由于该方法不必进行结构的有限元计算和数据的交换，因此可以极大地提高结构风致振动的计算效率；同时，由于结构的振动是物理测试得到的，因此绕流场特性的数值计算结果具有较高的精度。

Description

一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法
技术领域
本发明涉及一种计算结构振动的气动力系数的方法，特别是一种计算风雨致输电导线振动非定常气动力系数的方法。
背景技术
输电导线的风雨激振是固体，液体，气体之间的耦合振动。风雨激振具有振幅大，频率低、偶发性等特点，易造成金具剧烈磨损及导线伤股、断股现象，严重影响输电线路的安全稳定运行。因此，对于输电导线发生风雨激振机理的研究是亟待解决的关键问题。为揭示风雨激振诱发机理，必须获得输电导线发生振动的非定常气动力系数。
目前，针对输电风雨激振的研究方法主要包括：现场观测、风洞试验、理论分析以及CFD数值模拟计算。由于在风雨条件下输电导线会发生面内和面外振动，引起风偏角，雨线位置不断变化，因此难以通过风洞实验方法得到风雨致输电导线振动非定常气动力系数的变化规律。采用CFD数值模拟方法研究输电导线风雨激振时可以获得导线上的气动力，但通常情况下，随着雷诺数的增大，网格数和计算量以指数级增长，使计算效率大大降低，甚至对某些问题难以计算得到。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法。该方法不必进行结构的有限元计算和数据交换，可以精准，高效的计算出输电导线发生风雨激振时非定常气动力系数。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，即实验与CFD数值模拟混合子结构方法。包括以下步骤：(1)研制模拟风洞实验台；(2)构建实验用输电导线模型；(3)测试装置获取模型面内外振幅和频率；(4)将实验得到的模型振动响应作为动边界施加到CFD流场子结构；(5)仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟计算得出导线振动的非定常气动力系数。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，所述子结构包括输电导线模型子结构、上雨线子结构和流场子结构；其中上雨线子结构截面形状为类抛物线；宽度为8mm，高度为5mm。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，步骤(1)中所述的风洞实验台是由斜流变频风机和矩形风洞构成。矩形风洞整体由80×80mm2的方钢管焊接而成；实验台总长4.5m，高2m，占地面积约9m2。通过变频器改变风机的转速，从而模拟不同的风速。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，步骤(2)中所述的实验用模型是由输电导线模型和人工雨线模型组成。输电导线模型是用空心铝管模拟输电导线，铝管两端分别焊接两根实心轴，并在实心轴紧靠铝管处安装滚动轴承；在实心轴的两端分别悬挂两组弹簧阻尼系统，弹簧阻尼系统固定于两个矩形框；可实现水平、竖直方向的移动，以实现输电导线倾角和风向角的变化。人工雨线模型是依附于模拟导线外表面上，其两端固联于滚动轴承的外径上。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，步骤(3)中所述的测试装置是由加速度传感器、位移传感器以及无线动态信号采集器组成。传感器分别固定于实心轴的两端，所测得的振动信号被其旁的无线动态信号采集器接收。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，步骤(4)中所述的动边界设置如下：输电导线边界按照风洞实验实测的振动做横向风振动；上雨线在跟随输电导线模型边界做横向风振动的同时，沿着导线模型边界做环向振荡。
前述风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法中，步骤(5)中所述的CFD数值模拟计算是仅对动边界绕流场的计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于本发明不需要进行结构的有限元计算和数据交换，可以极大地提高结构风致振的计算效率；同时由于结构振动是在风洞实验台中测到的，测到的水线和导线振动响应真实地反映了它们与流场之间的相互作用，因此，绕流场特性的数值计算结果具有较高的精度。
附图说明
图1是本发明的数据处理流程图；
图2是风洞实验台结构示意图；
图3是带有人工雨线的输电导线结构示意图；
图4是CFD模拟结构示意图；
图5是气动力升力系数时程变化曲线；
图6是气动力阻力系数时程变化曲线；
其中，1-变频器，2-斜流式风机，3-矩形洞体，4-空心铝管，5-人工雨线，6-无线动态信号采集器，7-弹簧阻尼系统，8-矩形框，9-轴承，10-实心轴，11-位移传感器，12-加速度传感器，13-来流风，14-上水线子结构，15-输电导线子结构，16-流场子结构，17-面内振动阻尼系数，18-面内振动刚度，19-面外振动刚度，20-面外振动阻尼系数。
具体实施方式
实施例：
一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，即实验与CFD数值模拟混合子结构方法。图(1)所示包括以下步骤：(1)研制模拟风洞实验台；(2)构建实验用输电导线模型；(3)测试装置获取模型面内外振幅和频率；(4)将实验得到的模型振动响应作为动边界施加到CFD流场子结构；(5)仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟计算得出导线振动的非定常气动力系数。
具体计算过程如下：
(1)如图(2)所示采用80×80mm2的方钢管焊接成长度为4.5m，高度为2m的矩形风洞体，将斜流变频式风机(1，2)安装在矩形风洞体3的一端，中心高度与输电导线模型4中心高度持平。
(2)如图(3)所示采用长为1.2m，直径为30mm的空心铝管4两端分别焊接两根直径为10mm的实心轴10，并实心轴紧靠铝管处安装两个滚动轴承9，轴承9内圈与实心轴10过盈配合。人工雨线5依附于模拟导线4外表面上，其两端固联于滚动轴承9的外径上。在实心轴10的两端分别悬挂两组弹簧阻尼系统7，弹簧阻尼系统7固定于两个矩形框8。通过矩形框8的水平，竖直方向相对移动，实现不同倾角和风向角下的模拟输电导线气动力分析。
(3)将加速度传感器12和位移传感器11分别固定于实心轴10两端。通过控制变频器1和矩形框8的移动分别实现不同风速，不同风向角下的模拟输电导线和上雨线模型的振动响应；传感器(11，12)将测得的振动响应传给无线信号采集器6。
(4)如图(3)所示将CFD模拟系统分为流场子结构16、输电导线模型子结构15和上雨线子结构14；具体参数：流场子结构16的流场域尺寸为1200×600(mm)，网格数250000；导线的CFD模型15以LGJ-500/35导线为原型，导线模型D＝30mm，密度为7000kg/m3；网格数为88；上水线14采用宽8mm，高5mm的类抛物线形的截面形状，水线的相位角为60°；导线和雨线模型距离流场入口边界和上边界各为300mm。
(5)将步骤(3)测得的振动响应施加在流场子结构16：输电导线15边界按照实测的振动做横向风振动；上雨线14在跟随输电导线模型边界做横向风振动的同时，沿着导线模型边界做环向振荡。
(6)进行CFD数值模拟计算，计算步数设置为3000；计算得到风雨致输电导线振动的非定常气动力升力系数图(5)和阻力系数图(6)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何在未脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，即实验与CFD数值模拟混合子结构方法。包括以下步骤：(1)研制模拟风洞实验台；(2)构建实验用输电导线模型；(3)测试装置获取模型面内外振幅和频率；(4)将实验得到的模型振动响应作为动边界施加到CFD流场子结构；(5)仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟计算得出导线振动的非定常气动力系数。
2.根据权利要求1所述实验与CFD数值模拟混合子结构方法，其特征在于所述子结构包括输电导线模型子结构、上雨线子结构和流场子结构；其中上雨线子结构截面形状为类抛物线。
3.根据权利要求1所述一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，其特征在于步骤(1)中风洞实验台是由斜流变频风机和矩形风洞构成。
4.根据权利要求1所述一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，其特征在于步骤(2)中所述的实验用模型是由输电导线模型和人工雨线模型组成。
5.根据权利要求1所述一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，其特征在于步骤(3)中所述的测试装置是由加速度传感器、位移传感器以及无线动态信号采集器组成。
6.根据权利要求1所述一种风雨致输电导线振动的非定常气动力系数计算方法，其特征在于步骤(4)中所述的动边界设置如下：输电导线边界按照风洞实验实测的振动做横向风振动；上雨线在跟随输电导线模型边界做横向风振动的同时，沿着导线模型边界做环向振荡。
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