CN114662350A - 风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端 - Google Patents

风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端 Download PDF

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张奇
侯超
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Abstract

本发明涉及电力维护技术领域，具体提供一种风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端，包括：获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；获取输电杆塔件迎风面面积；根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。本发明通过耦合风载荷与沙尘载荷，准确地模拟了电力设施在沙尘暴场景下受到的冲击载荷，进而为电力设施维护提供了有力的数据支撑。

Description

风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端
技术领域
本发明涉及电力维护技术领域，具体涉及一种风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端。
背景技术
戈壁与沙漠地区普遍具有气候干旱、地表裸露、植被稀少低矮、大风频繁等特点。因此建设在戈壁或沙漠环境中的电力设施不仅需要承受大风载荷，还需要承受沙尘冲击。现有的电力设施冲击载荷模拟模型仅考虑了风力对电力设施的影响，但是没有考虑到沙尘暴情况下风沙对电力设施的影响。这就导致模拟的冲击载荷不准确，无法有效根据模拟的冲击载荷对线路进行防护。
发明内容
针对现有技术存在的冲击载荷模拟不准确的问题，本发明提供一种风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供一种风沙耦合载荷模拟方法，包括：
获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
获取输电杆塔件迎风面面积；
根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
进一步的，获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度，包括：
根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；
根据所述对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
进一步的，根据风速和所述迎风面面积计算风载荷，包括：
利用公式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
计算风载荷，其中μs为结构的体型 系数，取值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
进一步的，根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷，包括：
利用公式
Figure 565862DEST_PATH_IMAGE002
计算沙尘颗粒载荷，其中Fs(t)为沙尘颗 粒荷载，vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A 为输电塔杆件迎风面面积。
第二方面，本发明提供一种风沙耦合载荷模拟系统，包括：
参数确定单元，用于获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
目标确定单元，用于获取输电杆塔件迎风面面积；
第一计算单元，用于根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
第二计算单元，用于根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
耦合计算单元，用于将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
进一步的，所述参数确定单元包括：
关系构建模块，用于根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；
参数确定模块，用于根据所述对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
进一步的，所述第一计算单元用于：
利用公式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
计算风载荷，其中μs为结构的体型系 数，取值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
进一步的，所述第二计算单元用于：
利用公式
Figure 85705DEST_PATH_IMAGE004
计算沙尘颗粒载荷，其中Fs(t)为沙尘颗 粒荷载，vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A 为输电塔杆件迎风面面积。
第三方面，提供一种终端，包括：
处理器、存储器，其中，
该存储器用于存储计算机程序，
该处理器用于从存储器中调用并运行该计算机程序，使得终端执行上述的终端的方法。
第四方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面所述的方法。
本发明的有益效果在于，本发明提供的风沙耦合载荷模拟方法、系统及终端，通过耦合风载荷与沙尘载荷，准确地模拟了电力设施在沙尘暴场景下受到的冲击载荷，进而为电力设施维护提供了有力的数据支撑。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。
图2是本发明一个实施例的系统的示意性框图。
图3为本发明实施例提供的一种终端的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
图1是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。其中，图1执行主体可以为一种风沙耦合载荷模拟系统。
如图1所示，该方法包括：
步骤110，获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
步骤120，获取输电杆塔件迎风面面积；
步骤130，根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
步骤140，根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
步骤150，将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
为了便于对本发明的理解，下面以本发明风沙耦合载荷模拟方法的原理，结合实施例中对风沙耦合载荷进行模拟的过程，对本发明提供的风沙耦合载荷模拟方法做进一步的描述。
具体的，所述风沙耦合载荷模拟方法包括：
S1、获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
根据气象预告信息，获取监控区域的预告风速。根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；根据对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
沙尘浓度是影响沙尘暴强度的一个重要因素，是衡量风沙流挟沙量的重要参数。同一次沙尘暴在不同地区其沙尘浓度有较大差别，沙尘浓度是指在一次沙尘暴发生时出现的最大浓度。根据已有文献和各地观测值进行综合分析，初步得到不同强度沙尘天气时地面沙尘浓度的综合值，例如：
表1 沙尘暴颗粒浓度计算参数
Figure 962394DEST_PATH_IMAGE005
S2、获取输电杆塔件迎风面面积。
获取监控区域内的所有输电杆塔件类型，分别测量不同类型输电杆塔件的迎风面面积。
S3、根据风速和所述迎风面面积计算风载荷。
利用公式
Figure 351568DEST_PATH_IMAGE006
计算风载荷，其中μs为结构的体型系数，取 值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
S4、根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷。
根据动量守恒定律，沙尘暴灾害发生时，沙尘颗粒撞击挡风结构的计算公如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（3-1）
其中，m为τ时问内撞击挡风结构的沙尘颗粒重量；v1为风流中单位体积沙尘颗粒撞击结构初始的速度；v2为风流中单位体积沙尘颗粒撞击结构后的速度；Fs为沙尘颗粒流体对挡风结构的撞击力。
基于输电线路工程安全、可靠的设计理念，专题假定沙尘颗粒撞击输电塔构件为一种弹性碰撞，且反弹后的速度与撞击前的速度一致，即：
Figure 743235DEST_PATH_IMAGE008
（3-2）
则公式（2-1）可转化为：
Figure 4452DEST_PATH_IMAGE009
（3-3）
其中：vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度；Fs为沙尘颗粒流体对输电塔结构的撞击力。
假设沙尘暴中所有沙尘颗粒撞击结构前均近似简化为一个球体
Figure DEST_PATH_IMAGE010
， 则：
Figure 299430DEST_PATH_IMAGE011
（3-4）
在单位体积内，若假设所有沙尘颗粒均作用在输电塔结构上，则某一直径的沙尘 颗粒荷载作用力之和定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（3-5）
在时间τ内经过输电塔杆件的流体体积为：
Figure 978279DEST_PATH_IMAGE013
（3-6）
式中：A为输电塔杆件迎风面面积，因为沙尘颗粒为离散的，且输电塔前后面均能 受到的冲击作用，所以受力面积为2A；l为流体在τ时间内走过的距离。所以，沙尘颗粒作用 在杆件面积为A上荷载为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（3-7）
根据《沙尘暴天气等级》和参考文献，输沙强度观测系统中某一高度的积沙量为：
Figure 857242DEST_PATH_IMAGE015
（3-8）
式中：Qh为输沙强度观测系统某一高度处的集沙总质量，ρrsp为在大于起沙风速情况下某一风速所对应的风沙流密度；A为输沙强度观测系统的集沙器进沙口面积；Vi为风沙流密度所对应的风速；T为在取样时间内起沙风所持续的时间。
由公式（3-7）、（3-8）可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（3-9）
则沙尘颗粒荷载计算公式为：
Figure 220353DEST_PATH_IMAGE017
（3-10）
其中，Fs(t)为沙尘颗粒荷载，vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A为输电塔杆件迎风面面积。
S5、将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
由于沙尘暴往往是伴随着风荷载共同作用，所以研究沙尘颗粒荷载对输电塔的影 响，实际上就是研究风沙耦合荷载对输电线路的影响。因此，还需要将沙尘颗粒荷载计算模 型转化为与风荷载相一致的模型进行数值模拟。风沙耦合荷载压力模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，Fw为单位体积内分荷载压力值，Fs为单位体积内沙尘颗粒荷载压力值
处施加塔身风荷载为：
Figure 868372DEST_PATH_IMAGE019
式中，μs为结构的体型系数，取值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
由上述两个公式可得，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
如图2所示，该系统200包括：
参数确定单元210，用于获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
目标确定单元220，用于获取输电杆塔件迎风面面积；
第一计算单元230，用于根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
第二计算单元240，用于根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
耦合计算单元250，用于将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
可选地，作为本发明一个实施例，所述参数确定单元包括：
关系构建模块，用于根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；
参数确定模块，用于根据所述对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
可选地，作为本发明一个实施例，所述第一计算单元用于：
利用公式
Figure 915526DEST_PATH_IMAGE021
计算风载荷，其中μs为结构的体型系数，取值2.5；Vs (t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
可选地，作为本发明一个实施例，所述第二计算单元用于：
利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE022
计算沙尘颗粒载荷，其中Fs(t)为沙尘颗粒荷载，vs 为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A为输电塔 杆件迎风面面积。
图3为本发明实施例提供的一种终端300的结构示意图，该终端300可以用于执行本发明实施例提供的风沙耦合载荷模拟方法。
其中，该终端300可以包括：处理器310、存储器320及通信单元330。这些组件通过一条或多条总线进行通信，本领域技术人员可以理解，图中示出的服务器的结构并不构成对本发明的限定，它既可以是总线形结构，也可以是星型结构，还可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
其中，该存储器320可以用于存储处理器310的执行指令，存储器320可以由任何类型的易失性或非易失性存储终端或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（SRAM），电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），可擦除可编程只读存储器（EPROM），可编程只读存储器（PROM），只读存储器（ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。当存储器320中的执行指令由处理器310执行时，使得终端300能够执行以下上述方法实施例中的部分或全部步骤。
处理器310为存储终端的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子终端的各个部分，通过运行或执行存储在存储器320内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，以执行电子终端的各种功能和/或处理数据。所述处理器可以由集成电路(Integrated Circuit，简称IC) 组成，例如可以由单颗封装的IC 所组成，也可以由连接多颗相同功能或不同功能的封装IC而组成。举例来说，处理器310可以仅包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)。在本发明实施方式中，CPU可以是单运算核心，也可以包括多运算核心。
通信单元330，用于建立通信信道，从而使所述存储终端可以与其它终端进行通信。接收其他终端发送的用户数据或者向其他终端发送用户数据。
本发明还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本发明提供的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（英文：read-only memory，简称：ROM）或随机存储记忆体（英文：random access memory，简称：RAM）等。
因此，本发明通过耦合风载荷与沙尘载荷，准确地模拟了电力设施在沙尘暴场景下受到的冲击载荷，进而为电力设施维护提供了有力的数据支撑，本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中如U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，包括若干指令用以使得一台计算机终端（可以是个人计算机，服务器，或者第二终端、网络终端等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种风沙耦合载荷模拟方法，其特征在于，包括：
获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
获取输电杆塔件迎风面面积；
根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度，包括：
根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；
根据所述对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据风速和所述迎风面面积计算风载荷，包括：
利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算风载荷，其中μs为结构的体型系 数，取值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷，包括：
利用公式
Figure 510952DEST_PATH_IMAGE002
计算沙尘颗粒载荷，其中Fs(t)为沙尘颗粒 荷载，vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A为 输电塔杆件迎风面面积。
5.一种风沙耦合载荷模拟系统，其特征在于，包括：
参数确定单元，用于获取区域的预告风速，并根据风速确定沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度；
目标确定单元，用于获取输电杆塔件迎风面面积；
第一计算单元，用于根据风速和所述迎风面面积计算风载荷；
第二计算单元，用于根据沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度和所述迎风面面积计算沙尘颗粒载荷；
耦合计算单元，用于将风载荷与沙尘颗粒载荷之和作为风沙耦合载荷输出。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述参数确定单元包括：
关系构建模块，用于根据区域风沙历史观测数据构建风速与沙尘颗粒浓度、沙尘颗粒的平均飞跃速度之间的对应关系；
参数确定模块，用于根据所述对应关系获取与预告风速对应的沙尘颗粒浓度和沙尘颗粒的平均飞跃速度。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一计算单元用于：
利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE003
计算风载荷，其中μs为结构的体型系数， 取值2.5；Vs(t)为风速值；A为输电塔身的承受风压面积。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二计算单元用于：
利用公式
Figure 54191DEST_PATH_IMAGE004
计算沙尘颗粒载荷，其中Fs(t)为沙尘颗粒 荷载，vs为风流中单位体积沙尘颗粒的平均飞跃速度，ρrsp为单位体积内沙尘颗粒浓度，A为 输电塔杆件迎风面面积。
9.一种终端，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器的执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行权利要求1-4任一项所述的方法。
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