CN113280997A - 横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法，旨在解决现有技术中不能单独给出左横担、右横担和横担连接塔身的气动力系数的技术问题。所述装置包括下沉钢隔板、左横担测力天平、塔身测力天平、右横担测力天平、左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段；所述方法包括如下步骤：通过调整装置的结构，分别测量试件和支撑杆的气动力系数、支撑杆的气动力系数，将两次测量结果相减得到试件的气动力系数。本发明能够消除天平测试中试件支撑杆气动力的影响，精确获得横担及其连接塔身的气动力系数，为输电塔横担及其连接塔身的抗风设计提供依据。

Description

横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法，属于风荷载测试技术领域。

背景技术

我国电力资源分布不均衡，电力资源在西部地区比较丰富，而中东部地区电力需求量非常大。为满足各地区的用电供需关系，需要大力发展电力输送系统，因此架空输电线路的建设体量和规模越来越大。风荷载是输电塔的主要控制荷载之一，准确获得输电塔各组件的气动力系数是输电塔结构设计的关键，以往针对输电塔身气动力系数如阻力系数和升力系数的研究较多，而对于输电塔塔头部位风荷载的研究相对较少。塔头主要由水平向的横担和竖向的塔身组成，在设计中横担和塔身是分开输入荷载的，因此需要单独确定左横担、右横担及其连接塔身的气动力系数。

输电塔横担和横担塔身段的气动力系数受其本身形状、相互气动干扰以及来流风向的影响，风洞试验可以人为控制来流的风向、风速等风场条件，对实物所处风场具有良好的还原性，同时利用缩尺模型制作可模拟不同形状和尺寸的横担及其连接塔身。现有技术已经给出了分段测试输电塔各截断的气动力系数、测试输电塔整体的风荷载、测试两个横担气动力系数等的风荷载测试方法，但是现有方法没有去除支撑杆件的气动力影响等影响因素，均不能单独给出左横担、右横担和横担连接塔身的气动力系数，不利于输电塔研究。

发明内容

为了解决现有技术中不能单独给出左横担、右横担和横担连接塔身的气动力系数的问题，本发明提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法，能够消除天平测试中试件支撑杆气动力的影响，精确获得横担及其连接塔身的气动力系数，为输电塔横担及其连接塔身的抗风设计提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置，包括下沉钢隔板、左横担测力天平、塔身测力天平、右横担测力天平、左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段；

所述下沉钢隔板固定在建筑风洞的风洞转盘下方，左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平按照从左到右的顺序等间距的布置在下沉钢隔板上，左横担测力天平、横担塔身段测力天平和右横担测力天平的顶面与风洞转盘的上缘处于同一水平面；左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件分别利用左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆安装在左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平上；塔身上补偿段通过补偿段支撑杆安装于风洞转盘上，塔身下补偿段也安装于风洞转盘上；左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的底面位于在同一水平面上，横担塔身段试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段位于同一竖直平面上。

结合第一方面，进一步的，所述左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件的组成杆件为角钢、圆钢或角钢和圆钢的组合。

结合第一方面，进一步的，所述横担塔身段试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段的横截面为等腰梯形，横担塔身段试件的上底与塔身上补偿段的下底长度一样，横担塔身段试件的下底与塔身下补偿段的上底长度一样。

第二方面，本发明提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，包括如下步骤：

将左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件两两之间保持第一预设距离，将塔身上补偿段、塔身下补偿段和横担塔身段试件两两之间保持第二预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第一次风荷载；

将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段连接在一起，获得横担整体模型；

将左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆分别横担整体模型之间保持第三预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第二次风荷载；

利用第一次风荷载和第二风荷载作差，获得左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的风荷载，进而计算横担及其连接塔身的气动力系数。

结合第二方面，进一步的，所述第一预设距离的取值范围为2~4mm。

结合第二方面，进一步的，所述第二预设距离的取值范围为2~4mm。

结合第二方面，进一步的，所述第三预设距离的取值范围为2~4mm。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置及其方法，装置采用下沉钢隔板，可以保证装置底部的刚性，将横担的连接塔身分为横担塔身段试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段，根据风洞测试需求，可以调整横担和连接塔身之间的距离，有利于进行后续的分段测量。本发明可以通过旋转风洞转盘下沉钢隔板实现建筑风洞中不同来流风向下输电塔横担和连接塔身气动力系数的测试，考虑到左横担、横担连接塔身和右横担之间的气动干扰，本发明进行2次测试，第一次将横担与连接塔身分离，获得每个部件与支撑杆共同的力，第二次降横担与连接塔身固定在一起并与支撑杆分离，在同样干扰情况下测试支撑杆的力，通过两次测量结果作差消除了天平测试中试件支撑杆气动力的影响，从而精确获得输电塔横担及其连接塔身的阻力系数、升力系数、体型系数和角度风吹分配系数等，为输电塔横担及其连接塔身的抗风设计提供依据。

附图说明

图1为本发明一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中横担整体模型的结构示意图；

图3为本发明一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法的步骤流程图；

图中，1是建筑风洞，2是下沉钢隔板，3是风洞转盘，4是左横担测力天平，5是塔身测力天平，6是右横担测力天平，7是左横担试件，8是横担塔身段试件，9是右横担试件，10是塔身上补偿段，11是塔身下补偿段，12是左横担试件支撑杆，13是横担塔身段试件支撑杆，14是右横担试件支撑杆，15是补偿段支撑杆，16是横担整体模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置，如图1所示，主要包括下沉钢隔板2、左横担测力天平4、塔身测力天平5、右横担测力天平6、左横担试件7、横担塔身段试件8、右横担试件9、塔身上补偿段10和塔身下补偿段11。风洞测试装置安装在风洞内，其中，下沉钢隔板2固定在建筑风洞1的风洞转盘3下方，左横担测力天平4、塔身测力天平5和右横担测力天平6按照从左到右的顺序等间距的布置在下沉钢隔板2上，左横担测力天平4、横担塔身段测力天平5和右横担测力天平6的顶面与风洞转盘3的上缘处于同一水平面；本发明利用左横担试件支撑杆12将左横担试件7安装在左横担测力天平4上，利用横担塔身段试件支撑杆13将横担塔身段试件8安装在塔身测力天平5上，利用右横担试件支撑杆14将右横担试件9安装在右横担测力天平6上，左横担试件7、横担塔身段试件8和右横担试件9的底面位于在同一水平面上；塔身上补偿段10通过补偿段支撑杆15安装于风洞转盘3上，塔身下补偿段11也安装于风洞转盘3上，横担塔身段试件8、塔身上补偿段10和塔身下补偿段11位于同一竖直平面上。

在本发明实施例中，左横担试件7、横担塔身段试件8、右横担试件9的组成杆件为角钢、圆钢或角钢和圆钢的组合，试件的挡风面积不超过风洞截面面积的5%。横担塔身段试件8、塔身上补偿段10和塔身下补偿段11的横截面为等腰梯形，横担塔身段试件8的上底与塔身上补偿段10的下底长度一样，横担塔身段试件8的下底与塔身下补偿段11的上底长度一样。

在一般情况下，风洞测试装置如图1所示，左横担试件7、横担塔身段试件8和右横担试件9相互之间保持一个微小距离，横担塔身段试件8、塔身上补偿段10和塔身下补偿段11相互之间也保持一个微小距离，左横担试件7、横担塔身段试件8和右横担试件9分别与左横担测力天平4、塔身测力天平5、右横担测力天平6连接在一起，此时可以利用测力天平测量每个试件与支撑杆共同的力。本发明中的风洞测试装置还可以根据需求调整各个部件之间的距离，如图2所示，将横担试件7、横担塔身段试件8和右横担试件9分别与左横担测力天平4、塔身测力天平5、右横担测力天平6断开后，将横担试件7、横担塔身段试件8、右横担试件9、塔身上补偿段10和塔身下补偿段11连接成一个整体，作为横担整体模型16，此时可以通过测力天平测量支撑杆的力。

本发明还提出了一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，如图3所示，主要包括如下步骤：

步骤A、将左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件两两之间保持第一预设距离，将塔身上补偿段、塔身下补偿段和横担塔身段试件两两之间保持第二预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第一次风荷载。在本发明实施例中，第一预设距离和第二预设距离的取值范围均为2~4mm，优选 3mm。

利用左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆、补偿段支撑杆分别支撑左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件和塔身上补偿段，使各个部件处于分离状态，通过测试左横担测力天平可以获得左横担试件和左横担试件支撑杆的风荷载，通过测试横担塔身段测力天平可以获得横担塔身段试件和横担塔身段试件支撑杆的风荷载，通过测试右横担测力天平可以获得右横担试件和右横担试件支撑杆的风荷载，每个试件及其支撑杆共同的风荷载组成第一次风荷载。

步骤B、将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段连接在一起，获得横担整体模型。

首先将左横担试件和左横担试件支撑杆断开连接，将横担塔身段试件和横担塔身段试件支撑杆断开连接，将右横担试件和右横担试件支撑杆断开连接；其次，将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段连接成为一个整体（即横担整体模型）；最后，利用横担整体模型作为干扰体测试左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆的气动力系数。

步骤C、将左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆分别横担整体模型之间保持第三预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第二次风荷载。在本发明实施例中，第三预设距离的取值范围为2~4mm，优选3mm。

当横担整体模型与各个支撑杆分离后，通过测试左横担测力天平可以获得左横担试件支撑杆的风荷载，通过测试横担塔身段测力天平可以获得横担塔身段试件支撑杆的风荷载，通过测试右横担测力天平可以获得和右横担试件支撑杆的风荷载，各个支撑杆的风荷载组成本发明的第二次风荷载。

步骤D、利用第一次风荷载和第二风荷载作差，获得左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的风荷载，进而计算横担及其连接塔身的气动力系数。

为了去除支撑杆件的气动力影响，本发明将第一次风荷载和第二风荷载作差来获得单独的横担和横担连接塔身的气动力系数：将左横担测力天平所获得的两次风荷载相减计算得到左横担试件的气动力系数，将横担塔身段测力天平所获得的的两次风荷载相减计算得到横担塔身段试件的气动力系数，将右横担测力天平所获得的两次风荷载相减计算得到右横担试件的气动力系数。通过旋转风洞转盘下沉钢隔板，可以测试不同来流风向角下的左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的气动力系数，将不同来流风向角下的左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的气动力系数与正迎风的气动力系数相除，可以获得角度风吹分配系数。

在本发明实施例中，以某风洞试验装置及试验过程为例来说明本发明的效果：

(1) 在ZD-1建筑风洞1的风洞转盘2上从左到右布置由德国ME-SYSTEM公司生产的左横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平，安装要求左横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平的顶面与风洞底板保持在同一个平面，左横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平的底面安装在同一水平面上。

(2) 制作左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件，试件总长度为115cm，杆件采用0.3cm至1.2cm的圆杆件组成；分别利用左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件安装在横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平上；将塔身上补偿段和塔身下补偿段安装于风洞转盘上，塔身上补偿段、塔身下补偿段与横担塔身段试件安装在同一竖直平面上。

（3）塔身上补偿段、塔身下补偿段与横担塔身段试件相互之间保持3mm的距离，左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件的相互之间保持3mm的距离；通过左横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平测试获得第一次风荷载，第一次风荷载为支撑杆和试件气动力系数之和。

(4) 将左横担试件和左横担试件支撑杆断开连接，将横担塔身段试件和横担塔身段试件支撑杆断开连接，将右横担试件和右横担试件支撑杆断开连接；将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段连接成为一个横担整体试件；将横担整体试件安装在风洞底板上，并让横担整体试件与左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆之间保持3mm的距离；通过左横担高频动态测力天平、横担塔身段高频动态测力天平、右横担高频动态测力天平测试获得第二次风荷载，第二次风荷载为支撑杆的气动力系数。

(5) 将第一次风荷载与第二次风荷载相减获得左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的气动力系数，该气动力系数在顺风向和横风向的数据即为阻力系数和升力系数。

(6) 通过旋转风洞转盘3，可以测试不同来流风向角下的左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的气动力系数，风向角取5°为一个间隔，考虑横担的双轴对称性，风向角测试范围为0°~90°，测试风向角为19个，将不同来流风向角下的左横担试件的气动力系数、横担塔身段试件的气动力系数、右横担试件的气动力系数与正迎风（即0°风向角）的气动力系数相除，可以获得角度风吹分配系数。

本发明可以实现建筑风洞中不同来流风向下输电塔左横担、连接塔身和右横担气动力系数的测试，准确考虑了左横担、横担连接塔身和右横担之间的气动干扰，通过调整装置结构来进行两次测量，并利用两次测量结果消除了天平测试中试件支撑杆气动力的影响，精确获得输电塔横担及其连接塔身的阻力系数、升力系数、体型系数和角度风吹分配系数等，为输电塔横担及其连接塔身的抗风设计提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置，其特征在于，包括下沉钢隔板(2)、左横担测力天平(4)、塔身测力天平(5)、右横担测力天平(6)、左横担试件(7)、横担塔身段试件(8)、右横担试件(9)、塔身上补偿段(10)和塔身下补偿段(11)；

所述下沉钢隔板(2)固定在建筑风洞(1)的风洞转盘(3)下方，左横担测力天平(4)、塔身测力天平(5)和右横担测力天平(6) 按照从左到右的顺序等间距的布置在下沉钢隔板(2)上，左横担测力天平(4)、横担塔身段测力天平(5)和右横担测力天平(6)的顶面与风洞转盘(3)的上缘处于同一水平面；左横担试件(7)、横担塔身段试件(8)和右横担试件(9)分别利用左横担试件支撑杆(12)、横担塔身段试件支撑杆(13)、右横担试件支撑杆(14)安装在左横担测力天平(4)、塔身测力天平(5)和右横担测力天平(6)上；塔身上补偿段(10)通过补偿段支撑杆（15）安装于风洞转盘（3）上，塔身下补偿段(11)也安装于风洞转盘（3）上；左横担试件(7)、横担塔身段试件(8)和右横担试件(9)的底面位于在同一水平面上，横担塔身段试件(8)、塔身上补偿段(10)和塔身下补偿段(11)位于同一竖直平面上。

2.根据权利要求1所述的一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置，其特征在于，所述左横担试件(7)、横担塔身段试件(8)、右横担试件(9)的组成杆件为角钢、圆钢或角钢和圆钢的组合。

3.根据权利要求1所述的一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试装置，其特征在于，所述横担塔身段试件(8)、塔身上补偿段(10)和塔身下补偿段(11)的横截面为等腰梯形，横担塔身段试件(8)的上底与塔身上补偿段(10)的下底长度一样，横担塔身段试件(8)的下底与塔身下补偿段(11)的上底长度一样。

4.一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

将左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件两两之间保持第一预设距离，将塔身上补偿段、塔身下补偿段和横担塔身段试件两两之间保持第二预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第一次风荷载；

将左横担试件、横担塔身段试件、右横担试件、塔身上补偿段和塔身下补偿段连接在一起，获得横担整体模型；

将左横担试件支撑杆、横担塔身段试件支撑杆、右横担试件支撑杆分别横担整体模型之间保持第三预设距离，利用左横担测力天平、塔身测力天平和右横担测力天平获得第二次风荷载；

利用第一次风荷载和第二风荷载作差，获得左横担试件、横担塔身段试件和右横担试件的风荷载，进而计算横担及其连接塔身的气动力系数。

5.根据权利要求4所述的一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，其特征在于，所述第一预设距离的取值范围为2~4mm。

6.根据权利要求4所述的一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，其特征在于，所述第二预设距离的取值范围为2~4mm。

7.根据权利要求4所述的一种横担及其连接塔身气动力系数的风洞测试方法，其特征在于，所述第三预设距离的取值范围为2~4mm。

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