特高壓新月型覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性研究

李彭舉 李 明 姚 勇

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010；2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 四川綿陽(yáng) 621010)

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特高壓新月型覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性研究

李彭舉1李 明2姚 勇1

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010；2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 四川綿陽(yáng) 621010)

針對(duì)特高壓多分裂輸電導(dǎo)線的概況，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和FLUENT流體動(dòng)力學(xué)軟件，分析了八分裂新月型覆冰導(dǎo)線各子導(dǎo)線在不同風(fēng)攻角、風(fēng)速下氣動(dòng)力特性的變化規(guī)律，并將模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)探討了阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化規(guī)律的內(nèi)在原因。風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果都表明風(fēng)攻角對(duì)八分裂覆冰導(dǎo)線子導(dǎo)線氣動(dòng)力特性影響明顯，風(fēng)速對(duì)阻力系數(shù)的影響較大，對(duì)升力系數(shù)的影響卻并不明顯。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的氣動(dòng)力系數(shù)基本一致。

分裂導(dǎo)線 覆冰 氣動(dòng)力特性 風(fēng)洞試驗(yàn) 數(shù)值模擬

我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，東南沿海及中南地區(qū)發(fā)展較快，用電量大。能源卻集中于山西、陜西及內(nèi)蒙古部分地區(qū)，因此大容量、遠(yuǎn)距離的特高壓輸電成為必然趨勢(shì)和最佳途徑[1-2]。2009年我國(guó)首個(gè)特高壓輸電工程1 000 KV晉東南-南陽(yáng)-荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程正式投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入了遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的特高壓輸電新時(shí)代。但在特殊的氣候條件下，輸電導(dǎo)線在自然風(fēng)的作用下結(jié)冰，造成輸電導(dǎo)線形狀的改變形成非圓截面，從而容易誘發(fā)低頻、大振幅的舞動(dòng)，對(duì)導(dǎo)線、塔桿等造成嚴(yán)重的損害[3-5]。故對(duì)于特高壓輸電導(dǎo)線氣動(dòng)力特性的研究變得越來(lái)越迫切。目前，文獻(xiàn)[6-8]對(duì)1 000 KV特高壓交流輸電8分裂導(dǎo)線動(dòng)張力、風(fēng)荷載的傳遞機(jī)制、塔線耦聯(lián)體系進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)得到了不同風(fēng)攻角、流場(chǎng)和風(fēng)速情況下不同位置導(dǎo)線的動(dòng)應(yīng)變，得出了導(dǎo)線動(dòng)張力的傳遞規(guī)律和導(dǎo)線動(dòng)力響應(yīng)的主要特性，揭示了輸電塔線耦聯(lián)體系的風(fēng)荷載傳遞機(jī)制。文獻(xiàn)[9-10]對(duì)無(wú)覆冰八分裂導(dǎo)線和覆冰(新月形和扇形)八分裂導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，探討了無(wú)覆冰導(dǎo)線在不同分裂間距、兩種風(fēng)攻角下總體阻力系數(shù)的變化規(guī)律，分析了覆冰狀況下兩種典型覆冰三分力系數(shù)變化規(guī)律的異同以及上游子導(dǎo)線對(duì)下游子導(dǎo)線的屏蔽作用。文獻(xiàn)[11]基于Fluent軟件，針對(duì)特高壓輸電線路中的八分裂導(dǎo)線進(jìn)行了覆冰前后的風(fēng)場(chǎng)特性對(duì)比，探明了八分裂覆冰導(dǎo)線擾流的微觀機(jī)理。本文針對(duì)特高壓輸電導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了不同風(fēng)攻角、風(fēng)速下八分裂新月形覆冰導(dǎo)線各子導(dǎo)線三分力系數(shù)的變化規(guī)律，為八分裂覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的研究提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)和覆冰導(dǎo)線物理模型

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所1.4 m×1.4 m風(fēng)洞進(jìn)行，最高風(fēng)速65 m/s。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)支撐測(cè)力方案，如圖1所示，模型上下端分別通過(guò)連接件固定于圓形端板外側(cè)罩有防風(fēng)罩的測(cè)力天平上。通過(guò)改變天平安裝位置依次測(cè)量分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線的三分力系數(shù)。

圖1 八分裂覆冰導(dǎo)線模型Fig.1 Icing model of eight-Bundled conductor

覆冰導(dǎo)線計(jì)算域?yàn)橐徽叫螀^(qū)域，如圖2所示。分裂間距400 mm、導(dǎo)線直徑30 mm、覆冰厚度20 mm。為保證邊界來(lái)流穩(wěn)定，計(jì)算區(qū)域大小取12 m×12 m。計(jì)算區(qū)域均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約58萬(wàn)，在覆冰導(dǎo)線周?chē)M(jìn)行加密及二次加密如圖3所示。計(jì)算采用有限體積法,湍流模型選用Spalart-Allmaras模型，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。風(fēng)攻角α的變化范圍0°～180°，每隔10°設(shè)置一個(gè)工況，來(lái)流攻角及各子導(dǎo)線編號(hào)如圖2，針對(duì)不同的工況，保持模型及網(wǎng)格不變，只改變邊界條件和來(lái)流方向。邊界條件設(shè)置為：(1)當(dāng)α=0°時(shí)，左邊界為入口，右邊界為出口，上下邊界為無(wú)滑移壁面邊界；(2)當(dāng)0°<α<90°時(shí)，左邊界和下邊界為入口，右邊界和上邊界為出口；(3)當(dāng)α=90°時(shí)，下邊界為入口，上邊界為出口，左邊界和右邊界為無(wú)滑移壁面邊界；(4)當(dāng)90°<α<180°時(shí)，下邊界和右邊界為入口，左邊界和上邊界為出口；(5)當(dāng)α=180°時(shí)，右邊界為入口，左邊界為出口，上邊界和下邊界為無(wú)滑移壁面邊界。

覆冰八分裂導(dǎo)線風(fēng)軸坐標(biāo)系下三分力系數(shù)定義如下：

阻力系數(shù)CD=FD/(1/2ρV2Ld)

升力系數(shù)CL=FL/(1/2ρV2Ld)

扭矩系數(shù)CM=Mz/(1/2ρV2Ld2)

式中：FD，F(xiàn)L，Mz分別為阻力、升力和扭矩，V為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，ρ為空氣密度，L為模型參考長(zhǎng)度，d為導(dǎo)線直徑(不包括冰型)。

圖2 計(jì)算模型、來(lái)流攻角及各子導(dǎo)線編號(hào)Fig.2 The Calculation model,attack angle and conductor number

圖3 加密網(wǎng)格Fig.3 The encryption grid

2 數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較

圖4為八分裂新月形覆冰導(dǎo)線在風(fēng)速為10 m/s時(shí)各子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值模擬值與風(fēng)洞試驗(yàn)值的對(duì)比?？梢缘贸鰯?shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力系數(shù)曲線的變化規(guī)律基本一致(由于工況較多，得出力矩系數(shù)會(huì)大大增加工作量，故未給出)。

阻力系數(shù)CD曲線均呈兩端低、中間高分布，子導(dǎo)線1，2，3，4阻力系數(shù)曲線呈鋸齒狀起伏狀態(tài)，其中子導(dǎo)線1，4在風(fēng)攻角90°時(shí)與子導(dǎo)線8，5間距最小，受到子導(dǎo)線8，5的屏蔽作用明顯，產(chǎn)生局部突降到恢復(fù)的過(guò)程。子導(dǎo)線5，6，7，8阻力系數(shù)曲線呈波狀變化，子導(dǎo)線5，6，7，8處于迎風(fēng)側(cè)，對(duì)子導(dǎo)線1，2，3，4產(chǎn)生交替影響，造成子導(dǎo)線1，2，3，4的CD曲線呈鋸齒狀突升突降的變化規(guī)律。各子導(dǎo)線阻力系數(shù)在0°，180°風(fēng)攻角處最小，峰值出現(xiàn)在70°～110°處。

圖4 八分裂覆冰子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)隨攻角的變化(V=10 m/s)Fig.4 The influence of attack angle on the aerodynamic parameters of one of the eight-bundledt iced conductor

升力系數(shù)CL曲線均呈兩側(cè)略微凸起、中間低洼的波狀分布。子導(dǎo)線1，2，7，8在風(fēng)攻角0°～30°處呈平緩的上升趨勢(shì)，而子導(dǎo)線3，4，5，6在風(fēng)攻角0°～30°處呈現(xiàn)突升、突降的變化規(guī)律。隨著風(fēng)攻角增大，迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線1，2，7，8對(duì)背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線3，4，5，6產(chǎn)生交替屏蔽作用，某一角度時(shí)迎風(fēng)側(cè)某一子導(dǎo)線對(duì)背風(fēng)側(cè)某一子導(dǎo)線屏蔽明顯，造成背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線升力系數(shù)驟變。在風(fēng)攻角140°～170°處出現(xiàn)升力系數(shù)的局部回升，是由于各子導(dǎo)線趨于對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致上下負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生明顯偏差造成。各子導(dǎo)線升力系數(shù)在20°附近達(dá)到峰值，在130°附近最小。

數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果誤差主要存在于阻力系數(shù)的中間位置，數(shù)值模擬值比風(fēng)洞試驗(yàn)值略微偏低；升力系數(shù)的兩個(gè)波峰位置即風(fēng)攻角為20°和170°附近。但整體來(lái)看數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以很好反映八分裂新月形覆冰導(dǎo)線各子導(dǎo)線三分力系數(shù)的總體波動(dòng)規(guī)律和特性。

3 氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律分析

從風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬分別得出的氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別子導(dǎo)線產(chǎn)生突升突降的變化。子導(dǎo)線2在風(fēng)攻角40°時(shí)阻力系數(shù)突降約35%～40%。子導(dǎo)線2在風(fēng)攻角為0°時(shí)處于迎風(fēng)側(cè)，不受任何其他子導(dǎo)線影響，阻力系數(shù)較大，當(dāng)風(fēng)攻角增大時(shí)，子導(dǎo)線2受到子導(dǎo)線1的影響慢慢增加，當(dāng)風(fēng)攻角達(dá)到40°時(shí)達(dá)到最大，子導(dǎo)線2完全受到子導(dǎo)線1的屏蔽，子導(dǎo)線2阻力系數(shù)發(fā)生突降；子導(dǎo)線5在風(fēng)攻角20°和40°時(shí)均發(fā)生突降，且在風(fēng)攻角為40°時(shí)突降更加明顯，當(dāng)風(fēng)攻角為20°時(shí)子導(dǎo)線5主要受到子導(dǎo)線8的影響，在風(fēng)攻角為40°時(shí)主要受到子導(dǎo)線7的影響，而子導(dǎo)線2和子導(dǎo)線7的間距更小。以上均表明迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的相對(duì)角度位置、分裂間距等都會(huì)對(duì)背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)影響明顯。

當(dāng)風(fēng)攻角為20°時(shí)升力系數(shù)一般較大，升力系數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)也會(huì)較小，如果導(dǎo)線受到明顯的屏蔽作用，阻力系數(shù)突降，根據(jù)鄧哈托舞動(dòng)機(jī)理，該子導(dǎo)線很可能發(fā)生舞動(dòng)。

當(dāng)風(fēng)攻角增大時(shí)，各子導(dǎo)線相對(duì)位置、分裂間距等發(fā)生變化，引起各子導(dǎo)線周?chē)鷫毫?chǎng)的變化，不同的壓力場(chǎng)反映覆冰子導(dǎo)線周?chē)淖饔昧σ膊煌?。圖5為八分裂覆冰子導(dǎo)線1和3在0°到15°風(fēng)攻角下、風(fēng)速為10 m/s的壓力場(chǎng)，在0°風(fēng)攻角下子導(dǎo)線1和3的壓力場(chǎng)呈上下對(duì)稱(chēng)狀，故子導(dǎo)線1和3的升力系數(shù)在0°攻角下基本接近于零。而子導(dǎo)線1的上下負(fù)壓區(qū)則比子導(dǎo)線3作用明顯，是由于在0°攻角下子導(dǎo)線3受到上游子導(dǎo)線2的尾流影響作用，阻力系數(shù)略微小于子導(dǎo)線1。隨著攻角的變化，子導(dǎo)線上下負(fù)壓區(qū)區(qū)別明顯，所以在0°到15°風(fēng)攻角之間覆冰子導(dǎo)線的升力系數(shù)變化明顯，對(duì)比子導(dǎo)線1和3的上下負(fù)壓區(qū)可得到子導(dǎo)線3比子導(dǎo)線1升力系數(shù)變化更加突出。

圖5 八分裂新月形覆冰導(dǎo)線子導(dǎo)線在不同攻角時(shí)的周?chē)鷫毫DFig.5 The pressure figure about one of the eight-bundled iced conductor with crescen shape under different attack angles

4 不同風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)

在不改變基本的模型參數(shù)下，分別改變風(fēng)速為6，10，14，18 m/s，子導(dǎo)線1的氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：(1)不同風(fēng)速下，阻力系數(shù)CD變化明顯，風(fēng)速越小，阻力系數(shù)CD越大，但隨著風(fēng)速的變大，對(duì)阻力系數(shù)CD的影響趨于減弱。(2)風(fēng)速對(duì)升力系數(shù)CL局部產(chǎn)生略微的差異，整體上影響并不明顯。在0°<α<180°范圍內(nèi)，不同風(fēng)速下的阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL變化規(guī)律基本一致。

圖6 不同風(fēng)速下子導(dǎo)線1氣動(dòng)力系數(shù)比較Fig.6 Comparison of aerodynamic parameters under different wind velocity

5 結(jié)論

本文采用風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent分別給出了八分裂新月形覆冰導(dǎo)線子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化以及風(fēng)速對(duì)覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)的影響規(guī)律，并將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下：(1)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的氣動(dòng)力系數(shù)曲線變化規(guī)律基本一致，但局部數(shù)值大小存在差異。(2)覆冰子導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角的改變而改變，是由于覆冰子導(dǎo)線周?chē)鷫毫?chǎng)的改變?cè)斐闪烁脖訉?dǎo)線周?chē)饔昧Φ母淖儭?3)風(fēng)速對(duì)阻力系數(shù)CD影響明顯，但隨著風(fēng)速的增大，影響逐漸變?nèi)?；?duì)升力系數(shù)CL影響卻并不明顯。(4)在一定程度上，可以利用流體仿真作為研究輸電導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)的一種手段，為覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的研究提供依據(jù)。

[1] 趙興勇，張秀彬.特高壓輸電技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用及發(fā)展[A].見(jiàn)中國(guó)電力系統(tǒng)保護(hù)與控制學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].2006.

[2] 徐振宇.1 000 KV特高壓輸電線路保護(hù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[A].見(jiàn)中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2008年年會(huì)暨學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集[C].2008.

[3] 郭應(yīng)龍，李國(guó)興，尤傳永.輸電線路舞動(dòng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[4] 張宏志.大面積導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)事故的調(diào)查與分析[J].東北電力技術(shù)，2001，(12)：15-19.

[5] 歐陽(yáng)麗莎，黃新波，李俊峰.1 000 KV特高壓輸電線路覆冰區(qū)的研究與劃分[J].高壓電器，2010，46(5)：4-8.

[6] 謝強(qiáng)，嚴(yán)承涌，李素貞.1 000 KV特高壓交流輸電8分裂導(dǎo)線動(dòng)張力風(fēng)洞試驗(yàn)分析[J].高壓電技術(shù)，2010，(7)：1594-1600.

[7] 謝強(qiáng)，李繼國(guó)，嚴(yán)承涌.1 000 KV特高壓輸電塔線體系風(fēng)荷載傳遞機(jī)制風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(1):109-116.

[8] 謝強(qiáng)，嚴(yán)承涌.1 000 KV特高壓交流同塔雙回輸電塔線耦聯(lián)體系風(fēng)洞試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2010，36(4)：900-906.

[9] 劉操蘭.大跨越輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[10] 肖正直，晏致濤，李正良.八分裂輸電導(dǎo)線結(jié)冰風(fēng)洞及氣動(dòng)力特性試驗(yàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(5)：90-94.

[11] 歐陽(yáng)克儉，陳紅冬，劉純.特高壓八分裂覆冰導(dǎo)線風(fēng)場(chǎng)特性研究[J].湖南電力，2013，(1)：1-4.

Study of Aerodynamic Parameters of UHV ICED Conductor with Crescent Shape

LI Peng-ju1,LI Ming2,YAO Yong1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China;2.ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621010,Sichuan,China)

Considering the actuality of uhv bundled transmission conductor, the aerodynamic parameters of one of the eight-bundledt iced conductor with crescent shape in different wind attack angles and different wind speed were studied by means of wind tunnel tests and FLUENT software. The simulation results and wind tunnel test data were compared and analyzed. Meanwhile the paper discussed the immanent cause of changed rule between the drag coefficient and lift coefficient. Results show that the wind attack angle influences obviously the aerodynamic parameters of one of eight-bundled iced conductor, while the wind speed have a larger influence on the drag coefficient and not obvious on the lift coefficient. The results provide a certain basis for the aerodynamic parameters of iced conductor from numerical simulation and wind tunnel test.

Split conductor; Ice; Aerodynamic parameters; Wind tunnel tests; The numerical simulation

2015-01-07

李彭舉(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)風(fēng)工程。E-mail:1015657831@qq.com

TU311.3

A

1671-8755(2015)02-0069-05