覆冰斜拉索氣動力的試驗與數(shù)值研究

摘要：斜拉橋拉索表面形成的覆冰可能會使斜拉索發(fā)生不穩(wěn)定的馳振振動.首先，制作了6種覆冰截面的拉索模型，幾何縮尺比為1∶1；然后，進行了靜力天平測力風洞試驗，得到了6種覆冰截面的平均升力系數(shù)和平均阻力系數(shù)，并給出了馳振力系數(shù)；最后，采用Fluent軟件模擬了2種覆冰截面的繞流情況，并給出了平均升力系數(shù).結果表明：上述6種覆冰截面的馳振力系數(shù)均遠小于零，存在發(fā)生馳振的可能性；CFD模擬得到的平均升力系數(shù)與試驗結果吻合較好.

關鍵詞：拉索；覆冰；氣動力；風洞試驗；CFD模擬

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：AExperimental and Numerical Investigations of the

長細結構的覆冰會改變結構的氣動外形，從而導致各種類型的風致振動，最為典型的就是馳振振動.馳振是由于平均升力系數(shù)突降產(chǎn)生的氣動負阻尼引起的一種橫風向風致振動，屬于發(fā)散性振動，對結構破壞性很大［1］.迄今為止，很多研究者對覆冰輸電線的馳振進行了研究.1932年，Den Hartog提出了橫風向馳振的臨界判別公式，認為氣動負阻尼是馳振的關鍵原因［1］.Nigol和Buchan［2］在1981年提出了扭轉馳振機理.Yu等［3］提出了偏心慣性耦合失穩(wěn)理論，認為覆冰導線同時發(fā)生水平、豎向和扭轉3個方向的運動.馬文勇等［4］推導了任意風向作用下覆冰導線在任意振動方向的單自由度馳振判別式，從理論上證明了順風向發(fā)生馳振的可能性.李萬平［5］研究了覆冰導線群的動態(tài)氣動力特性.白海峰等［6］研究了分裂式導線的橫風向馳振響應.

另外，斜拉索表面也可能會形成覆冰并發(fā)生馳振，但對其研究還很少.與輸電線相比，斜拉索的單位長度質(zhì)量、直徑要大，其動力特性也有較大的差異；更為重要的是，斜拉索與水平方向成較大的夾角(一般大于30°)，其風攻角可為0°～360°，較易滿足馳振的起振條件.為此，本文進行了3種冰型、6個工況的靜力天平測力風洞試驗，并對其中2種工況進行了CFD數(shù)值模擬，得到了典型覆冰拉索截面的氣動力特性，給出了Den Hartog馳振力系數(shù)，為進一步的馳振穩(wěn)定性研究提供了氣動力數(shù)據(jù).1 試驗概況

1.1 試驗設備及儀器

覆冰拉索測力風洞試驗在湖南大學HD

2風洞實驗室的高速試驗段進行，試驗段尺寸為2.5 m高×3.0 m寬×17 m長.六分量靜力測力天平的精度為0.2%，其量程范圍見表1，其中Y軸為豎直方向，X和Z軸為水平方向.經(jīng)初步估算，本次試驗各個方向的荷載值均遠小于量程值.

拉索模型直徑120 mm，長600 mm，模型比例為1∶1.參考已有的文獻，選用3種類型的冰型［7-9］：新月形(含薄膜形)、扇形和D形.薄膜形(模型編號C1)覆冰最大冰厚為10 mm，另外2種新月形覆冰最大冰厚分別為50 mm(模型編號C2)和80 mm(模型編號C3)；扇形截面的厚度為50 mm(模型編號S1)；有光滑段D形截面粗糙段最大厚度為30 mm，光滑段厚度為10 mm(模型編號D1)，無光滑段D形截面最大厚度為55 mm(模型編號D2).

模型的材料應盡量輕，與天平的連接應盡量牢固，以提高模型的固有頻率，并減小模型共振而增加的附加慣性力.覆冰拉索模型采用泡沫內(nèi)芯外包泡桐木板的方法制作，模型總質(zhì)量為200～300 g.為減小模型上端部的三維繞流效應，在拉索模型的頂部設置導流板，導流板由與風洞頂部連接的鋼管固定，并與拉索模型保持5 mm間距.導流板由有機玻璃制作，直徑30 cm、厚度1 cm，邊緣上部倒角.覆冰拉索模型的底部為鋁板，通過螺絲與六分量測力天平連接，天平固定在風洞的轉盤上，通過轉盤的轉動來調(diào)節(jié)風攻角.

1.3 試驗風場及試驗工況

風洞試驗在均勻流場中進行，試驗風速為12 m/s.由于所選擇的覆冰拉索截面均為單軸對稱截面，因此僅需進行0°～180°風向角的三分力測量即可.定義來流平行于對稱軸線且覆冰迎風時為0°風攻角，并按逆時針方向增加(3)

式中：α為風攻角.

2 試驗結果2.1 平均升力與阻力系數(shù)

新月形覆冰拉索的平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù)曲線見圖6.圖6(a)中C1模型的平均阻力系數(shù)隨風攻角變化不大，僅在40°左右有突升，最大平均阻力系數(shù)接近0.6，與經(jīng)典結果相比偏小，有2個方面的原因：1)靠近風洞底板邊界層的影響；2)雷諾數(shù)在臨界雷諾數(shù)附近.C1模型的平均升力系數(shù)在α=0°～40°攻角范圍內(nèi)，隨攻角α增大，平均升力系數(shù)從-0.05左右上升到0.5左右；在α=40°處平均升力系數(shù)有一個突降，從0.5減小到0.0左右；在40°～180°，平均升力系數(shù)隨攻角α變化有小幅度的波動，在70°和150°有較小的正峰值，180°攻角處系數(shù)值約為0.圖6(b)(c)中C2和C3模型的平均阻力系數(shù)曲線呈兩端低中間丘狀突起，且均在10°時達到最小值，約為0.3，在90°左右達到最大值，分別為0.8和1.0，這是因為C2和C3冰型在α=0°和180°時的迎風截面最小，而在α=90°時迎風截面最大.C2和C3模型的平均升力系數(shù)均在α=20°之前急速上升并在20°左右出現(xiàn)最大值，分別為0.9和1.1，之后曲線相對較平緩，在40°左右出現(xiàn)大斜率的突降，平均升力系數(shù)降幅約為0.6～0.7，之后緩慢下降，并分別在α=130°和140°左右達到最小值，約為-0.2，之后曲線開始上升，在150°～160°之間有小的正峰值，在175°左右出現(xiàn)一個較大的正峰值，約0.7，之后大幅度下降，在180°系數(shù)值為0.綜合圖6(a)(b)(c)可看出，3種不同冰厚的新月形覆冰氣動力系數(shù)變化趨勢類似，覆冰越厚，其阻力系數(shù)變化幅度越大.升力系數(shù)值在0°和180°攻角處均接近0，但覆冰越厚，變化幅度越大，C1，C2和C3模型的升力系數(shù)最大值依次遞增，且均在40°左右出現(xiàn)大幅下降，而C2和C3模型在175°左右出現(xiàn)正峰值后又有大幅突降.

給出了扇形覆冰拉索模型的平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù)隨風攻角的變化曲線.從圖7中可以看出，扇形覆冰拉索的平均阻力系數(shù)曲線呈兩端高中間凹的形狀，在0°和150°左右出現(xiàn)最大值，約1.0，在50°～120°之間數(shù)值相對較低，約0.6.扇形覆冰拉索模型的平均升力系數(shù)曲線呈兩端低中間高的形狀，在α=0°～36°攻角內(nèi)，系數(shù)值約為0，變化不大，之后曲線開始下降，在α=40°左右有一個小的負峰值約為-0.3，在86°左右出現(xiàn)正峰值約為0.9，隨后出現(xiàn)一個向下的尖峰，平均升力系數(shù)值降到0.5左右，再次上升后開始較為均勻地下降，在160°出現(xiàn)負峰值，約為-0.6，在180°升力系數(shù)上升至0.

給出了D形覆冰拉索模型的平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù)隨風向角的變化規(guī)律.從圖8(a)(b)中可以看出，D形截面覆冰拉索截面的平均氣動力系數(shù)與扇形截面類似.D形截面的平均阻力系數(shù)曲線變化幅度較扇形截面小，平均升力系數(shù)曲線形狀為“W”形，在α=0°和α=180°時平均升力系數(shù)值接近-0.1，在α=90°左右出現(xiàn)正峰值，D1和D2模型平均升力系數(shù)最大值分別為0.5和0.7.D1模型分別以α=20°和α=170°為中心出現(xiàn)2個負峰值，平均升力系數(shù)分別為-0.8和-0.7；D2模型分別以α

4 結 論

采用風洞試驗和CFD模擬方法，研究了6種覆冰截面的氣動力特性，得到如下結論：

1)新月形、扇形和D形截面的平均升力系數(shù)均有突降區(qū)域，最小馳振力系數(shù)均小于-10，存在發(fā)生馳振的可能性. 2)數(shù)值模擬所得的氣動力系數(shù)與風洞試驗結果有一定的差異，但總體變化趨勢是一致的.參考文獻

［1］ DEN HARTOG J P. Transmission line vibration due to sleet ［J］. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers， 1932， 51: 1074-1077.

［2］ NIGOL O， BUCHAN P G. Conductor galloping—Part Ⅱ:torsional mechanism［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， 1981， 100(2): 708-720.

［3］ YU P A， SHAH H， POPPLEWELL N. Inertially coupled galloping of iced conductors ［J］. Journal of Applied Mechanics， 1992， 59: 140-145.

［4］ 馬文勇，顧明，全涌，等. 覆冰導線任意方向馳振分析方法［J］.同濟大學學報：自然科學版，2010， 38(1): 130-134.

MA Wenyong， GU Ming，QUAN Yong，et al.Analysis method of galloping in arbitrary directions of iced conductors ［J］. Journal of Tongji University: Natural Science， 2010， 38(1): 130-134. (In Chinese)

［5］ 李萬平. 覆冰導線群的動態(tài)氣動力特性［J］.空氣動力學學報，2000， 18(4): 413-420.

LI Wanping. Dynamic aerodynamic characteristics of the galloping of bundled iced power transmission lines［J］. Acta Aerodynamical Sinica， 2000， 18(4): 413-420. (In Chinese)

［6］ 白海峰，李宏男. 分裂式覆冰導線橫風向馳振響應研究［J］. 振動工程學報，2008， 21(3): 298-303.

BAI Haifeng， LI Hongnan. Crosswindinduced galloping of icedbundle conductors ［J］. Journal of Vibration Engineering， 2008， 21(3): 298-303. (In Chinese)

［7］ 顧明，馬文勇，全涌，等. 兩種典型覆冰導線氣動力特性及穩(wěn)定性分析［J］. 同濟大學學報：自然科學版，2009， 37(10): 1328-1332.

GU Ming， MA Wenyong， QUAN Yong，et al.Aerodynamic force characteristics and stabilities of two typical iced conductors ［J］. Journal of Tongji University: Natural Science， 2009， 37(10): 1328-1332. (In Chinese)

［8］ DYKE P V， LANEILLE A. Galloping of a single conductor covered with a Dsection on a highvoltage overhead test line ［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Dynamics，2008，96:1141-1151.

［9］ 李萬平，楊新祥，張立志. 覆冰導線群的靜氣動力特性［J］. 空氣動力學學報，1995， 13(4): 427-435.

LI Wanping， YANG Xinxiang， ZHANG Lizhi. Static aerodynamic characteristics of the galloping of bundled iced power transmission lines ［J］. Acta Aerodynamical Sinica，1995，13(4):427-435. (In Chinese)