分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)干擾效應(yīng)研究

左太輝, 牛華偉, 閔 絢3, 華旭剛

(1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司, 廣州 510050; 2. 湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心, 長沙 410082; 3. 中國電力科學(xué)研究院, 武漢 430074)

分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)干擾效應(yīng)研究

左太輝1,*, 牛華偉2, 閔 絢3, 華旭剛2

(1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司, 廣州 510050; 2. 湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心, 長沙 410082; 3. 中國電力科學(xué)研究院, 武漢 430074)

分裂導(dǎo)線在不同風(fēng)場條件下的阻力系數(shù)及干擾效應(yīng)對導(dǎo)線風(fēng)荷載的合理化設(shè)計十分重要。不同迎風(fēng)角和雷諾數(shù)下分裂導(dǎo)線氣動阻力系數(shù)特性及干擾屏蔽效應(yīng)比較復(fù)雜。為了研究該干擾效應(yīng)，設(shè)計長細比約為1∶30、長度約為1m的導(dǎo)線節(jié)段模型試驗，獲得導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)、尾流干擾的變化規(guī)律；進行了不同風(fēng)速和迎風(fēng)方向下4、6和8分裂導(dǎo)線節(jié)段模型平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)試驗，總結(jié)了多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的屏蔽效應(yīng)規(guī)律特性。試驗結(jié)果表明，多分裂導(dǎo)線氣動阻力系數(shù)干擾效應(yīng)明顯，且不同迎風(fēng)方式對風(fēng)荷載影響較大，風(fēng)荷載明顯低于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值。分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載合理化設(shè)計和計算應(yīng)該重視迎風(fēng)角度和干擾效應(yīng)的影響。

風(fēng)荷載；氣動阻力系數(shù)；分裂導(dǎo)線；風(fēng)洞試驗；干擾屏蔽效應(yīng)

0 引 言

由于導(dǎo)線間隔棒間距、子導(dǎo)線的間距和迎風(fēng)角度等分裂導(dǎo)線自身參數(shù)的復(fù)雜性，類圓柱形的導(dǎo)線風(fēng)荷載氣動阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)、迎風(fēng)角度、風(fēng)速的變化比較明顯，影響導(dǎo)線風(fēng)荷載設(shè)計，也誘導(dǎo)了一些和導(dǎo)線氣動特性有關(guān)的振動。

導(dǎo)線的平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)不僅是建立輸電線路風(fēng)荷載模型的主要參數(shù)，更是特高壓輸電線路風(fēng)致振動的關(guān)鍵影響因素。近年來一些風(fēng)、雪等自然災(zāi)害致倒塔和斷線事故都和輸電導(dǎo)線氣動力失穩(wěn)有關(guān)[1-5]。通過風(fēng)洞試驗或現(xiàn)場實測對不同風(fēng)場條件下的輸電導(dǎo)線氣動阻力系數(shù)進行研究具有重要的工程意義。

風(fēng)洞試驗是研究導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)較成熟和可靠的方法[6-7]。Scruton與Rogers指出，不同粗糙度表面圓柱體阻力系數(shù)維持在1.2左右，雷諾數(shù)達到臨界域，阻力系數(shù)變小[8]。Wardlaw等學(xué)者研究了分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的規(guī)律[9]。我國學(xué)者對于輸電導(dǎo)線的氣動力特性也有一些研究，如李萬平[10]、王昕[11]等。同濟大學(xué)的謝強等應(yīng)用8分裂導(dǎo)線風(fēng)洞試驗測定了導(dǎo)線阻力系數(shù)[12]，并與國內(nèi)外規(guī)范[13-14]取值進行對比。

我國現(xiàn)行架空線路送電技術(shù)規(guī)范規(guī)定：導(dǎo)線或地線體型系數(shù)ucs在直徑d<17mm時取1.2，直徑d>17mm，則取1.1[13]。國內(nèi)外現(xiàn)行的規(guī)范關(guān)于分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載計算方法，都是以單根導(dǎo)線風(fēng)荷載為基礎(chǔ)，用分裂數(shù)乘以單根導(dǎo)線風(fēng)荷載，得到分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載，沒有考慮導(dǎo)線之間的屏蔽干擾效應(yīng)，且不考慮不同迎風(fēng)角度對分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響，導(dǎo)致過高地計算了導(dǎo)線風(fēng)荷載。

本文對不同風(fēng)場條件下，單根、4、6和8分裂導(dǎo)線模型的平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)進行風(fēng)洞試驗。通過試驗，分析了雷諾數(shù)、尾流干擾及湍流度對導(dǎo)線氣動阻力系數(shù)的影響，研究了分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)隨不同風(fēng)向角的變化規(guī)律，結(jié)果表明分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)并不是按照現(xiàn)行規(guī)范方法簡單的單根導(dǎo)線阻力系數(shù)乘以分裂數(shù)，而是比規(guī)范方法要小，這對于導(dǎo)線風(fēng)荷載合理化設(shè)計非常重要。分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)隨著迎風(fēng)角度的變化呈現(xiàn)拋物線變化趨勢，依據(jù)這一規(guī)律，在輸電線路設(shè)計時，可以避開導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)較大的迎風(fēng)角度，為輸電線路設(shè)計的經(jīng)濟性與合理性提供依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 試驗方法介紹

采用能反映實際粗糙度的JL/G1A 630-45、JL/G1A 900-40導(dǎo)線進行風(fēng)洞試驗。根據(jù)導(dǎo)線剛度、天平精度和試驗阻塞比確定模型長度約為100cm，2種模型直徑分別為33.8和39.9mm。在湖南大學(xué)HD-2號風(fēng)洞高速段完成了單根、4、6和8分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載測力實驗。單根導(dǎo)線布置如圖1所示，通過底座將模型固定到天平上，底座上方采用圓板和導(dǎo)流板籠罩著測力天平底座和連接構(gòu)件以避免固定底座接承受風(fēng)荷載從而影響測試精度。導(dǎo)線頂部安裝有與導(dǎo)線模型頂端不接觸的(大約5mm間距)端板，由于空隙很小加上端板本身對流體的導(dǎo)流作用，可以克服導(dǎo)線自由端的端部流影響。測試過程中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤來模擬不同來流風(fēng)向角，通過測力天平測得導(dǎo)線在不同工況下的風(fēng)荷載，進而計算得到平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)。

圖1 單導(dǎo)線布置

1.2 試驗過程

通過風(fēng)洞試驗得到2種模型單根導(dǎo)線(如圖1)的風(fēng)荷載氣動阻力系數(shù)和JL/G1A 630-45型號單根導(dǎo)線(見圖2)風(fēng)荷載氣動阻力系數(shù)。圖2中2根導(dǎo)線沿來流中心線上下游布置，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤使得下游導(dǎo)線偏離尾流中心線距離為Y，以分析尾流干擾對導(dǎo)線阻力系數(shù)影響。

圖2 2根導(dǎo)線布置及干擾導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)示意

Fig.2 Configuration of two conductors and interference conductor rotation

在20和30m/s風(fēng)速下，分別對JL/G1A 630-45型號4、6和8分裂導(dǎo)線進行測力試驗，如圖3和4所示。分裂導(dǎo)線間隔距離為400mm。通過大型底盤，將4、6和8 分裂導(dǎo)線模型固定在測力天平上，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤以模擬不同來流方式(見圖3)，以分析分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角度的變化。

圖3 4分裂、6分裂、8分裂導(dǎo)線布置

Fig.3 Configuration of 4-bundled,6-bundled and 8-bundled conductors

圖4 6分裂導(dǎo)線風(fēng)洞試驗

2 單導(dǎo)線氣動力特性

2.1 雷諾數(shù)效應(yīng)影響分析

雷諾數(shù)為慣性力和粘性力之比，是流場的1個重要參數(shù)。流體由層流向湍流過渡的雷諾數(shù)，稱為臨界雷諾數(shù)Re[15]：

(1)

式中：v=0.15cm2/s ,U為來流風(fēng)速(m/s)，l為特征長度。與雷諾數(shù)有關(guān)的參數(shù)主要是來流風(fēng)速和物體的特征尺寸(本文為導(dǎo)線直徑d)。不同風(fēng)速下2種模型對應(yīng)的雷諾數(shù)如表1所示。

表1 不同試驗風(fēng)速下2種導(dǎo)線模型雷諾數(shù)

通過風(fēng)洞試驗得到的JL/G1A 630-45和JL/G1A 900-40導(dǎo)線阻力系數(shù)如表2所示。圖5給出了本文結(jié)果和Wardlaw等[9]的結(jié)果對比。圖5表明，導(dǎo)線的表面粗糙度使雷諾數(shù)臨界區(qū)由105提前至104量級。10m/s風(fēng)速時導(dǎo)線阻力系數(shù)為1.0左右，正好位于雷諾數(shù)臨界區(qū)；20m/s風(fēng)速時導(dǎo)線處于超臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)，導(dǎo)線阻力系數(shù)變小為0.8，在超臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加。因此，30m/s時對應(yīng)的阻力系數(shù)比20m/s時要大。

表2 不同型號單導(dǎo)線阻力系數(shù)(均勻流)

2.2 尾流效應(yīng)影響分析

圖5 不同風(fēng)速下單導(dǎo)線阻力系數(shù)曲線(均勻流)

Fig.5 Drag coefficient curve of single conductor under different wind speed (uniform flow)

從表3和圖6可見，阻力系數(shù)隨Y/d(d為導(dǎo)線直徑，33.8mm)的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。2根導(dǎo)線沿尾流中心線方向布置時，平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)最小，增大到一定的距離后，和無干擾單根導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)基本一致，這是因為干擾偏移距離Y增大，上游導(dǎo)線的遮擋效應(yīng)明顯減小，下游導(dǎo)線受到的風(fēng)荷載作用逐漸加強。尾流干擾對導(dǎo)線阻力系數(shù)影響較明顯，在2分裂導(dǎo)線線路設(shè)計時，應(yīng)保持導(dǎo)線中心線方向和主導(dǎo)風(fēng)向一致。

表3 不同位置尾流干擾阻力系數(shù)(均勻流)

2.3 湍流度效應(yīng)影響分析

采用格柵湍流進行湍流工況下導(dǎo)線風(fēng)荷載測力試驗，格柵以及導(dǎo)線的安裝如圖7所示。通過調(diào)節(jié)葉柵之間的距離和迎風(fēng)角得到需要的湍流度，格柵沿風(fēng)洞中心線對稱安裝，以保證多分裂導(dǎo)線模型范圍內(nèi)湍流度和風(fēng)速的均勻性。調(diào)試的湍流度為10.7%，接近試驗所需要的10%。

圖6 不同位置尾流干擾阻力系數(shù)

圖7 單導(dǎo)線風(fēng)洞試驗(湍流場)

對JL/G1A 630-45型單根導(dǎo)線的阻力系數(shù)進行測試，考慮到格柵的擋風(fēng)面積較大，為保證試驗的安全性，湍流場的試驗風(fēng)速為10和20m/s，導(dǎo)線風(fēng)荷載阻力系數(shù)如表5所示。

表5 不同風(fēng)速下單根導(dǎo)線阻力系數(shù)值(湍流場)

現(xiàn)有文獻中，湍流場與均勻流下的測力試驗結(jié)果并不一致。有些研究成果認為湍流場下的力系數(shù)更大[6]，而有些研究成果得到的湍流場下的力系數(shù)值則更小[8]。這是因為湍流場的影響因素很多，比如相同湍流度下的風(fēng)場其流場功率譜、積分尺度和壓力相關(guān)性可能不相同，從而導(dǎo)致相同湍流度下的測力結(jié)果存在一定偏差。

通過風(fēng)洞試驗，本文對湍流場和均勻流場下的單根導(dǎo)線阻力系數(shù)進行對比。結(jié)果表明，在10%湍流度下單根導(dǎo)線的阻力系數(shù)均比均勻流場下的偏大約5%～15%左右?？紤]到湍流場中導(dǎo)線表面壓力的相關(guān)性比實際導(dǎo)線更強，因此可以認為湍流場下的阻力系數(shù)比均勻流下增大約10%。

3 分裂導(dǎo)線干擾效應(yīng)研究

表6 4分裂導(dǎo)線和單導(dǎo)線阻力系數(shù)比值

表7 6分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)和

圖8～10可以看出，多分裂導(dǎo)線風(fēng)荷載平均阻力系數(shù)呈現(xiàn)類似拋物線變化趨勢，在某個迎風(fēng)角度下，阻力系數(shù)將出現(xiàn)最大值，這個風(fēng)向角對建立導(dǎo)線風(fēng)荷載模型是不利的。在輸電線路抗風(fēng)設(shè)計時，選擇角迎風(fēng)方式或者邊迎風(fēng)方式比其它角度迎風(fēng)方式更加合理和經(jīng)濟。

表8 8分裂導(dǎo)線CD以及比值

圖8 4分裂導(dǎo)線和單導(dǎo)線CD比值

Fig.8 Drag coefficient ratio of 4-bundled conductors to single conductor

圖9 6分裂導(dǎo)線CD以及比值

Fig.9 Drag coefficient ratio of 6-bundled conductors to single conductor

圖10 8分裂導(dǎo)線CD以及比值

Fig.10 Drag coefficient ratio of 8-bundled conductors to single conductor

4 結(jié) 論

通過風(fēng)洞試驗研究了特高壓輸電線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)，分析了導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)的影響因素，討論了多分裂導(dǎo)線氣動干擾性屏蔽效應(yīng)?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1) 雷諾數(shù)對導(dǎo)線阻力系數(shù)影響比較大，導(dǎo)線表面的粗糙度使得雷諾數(shù)臨界區(qū)提前至104數(shù)量級。中上游導(dǎo)線尾流引起的干擾屏蔽效應(yīng)使得分裂導(dǎo)線總體風(fēng)荷載降低，對于雙分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線串列布置時阻力系數(shù)最??；

(2) 多分裂導(dǎo)線相互干擾及屏蔽效應(yīng)明顯。現(xiàn)行規(guī)范以單根導(dǎo)線阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的分裂數(shù)取值是不合理的。設(shè)計過程中可以通過風(fēng)洞試驗或者乘以一個折減系數(shù)得到分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)，以增加輸電線路風(fēng)荷載設(shè)計的經(jīng)濟合理性；

(3) 不同迎風(fēng)角度對多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的影響較大，最大可以達到20%以上, 對于正多邊形布置的分裂導(dǎo)線，平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角度呈現(xiàn)拋物線的變化趨勢。因此，在輸電線路設(shè)計中，選擇角迎風(fēng)或者邊迎風(fēng)方式，對控制輸電線的風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)更為有利。

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(編輯：李金勇)

Research on interference effects of wind load on bundled conductors

Zuo Taihui1, Niu Huawei2, Min Xuan3, Hua Xugang2

(1. Guangdong Povincial Academy of Building Research Group Co., LTD, Guangzhou 510050,China; 2. Wind Engineering Research Center of Hunan University, Changsha 410082, China; 3. China State Gird Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

It is important to take into account the drag coefficient and interference shielding effect under different wind conditions in the design of bundled conductors. However, it is a complex problem under different wind angles and Reynolds numbers conditions. In this paper, wind tunnel test on a sectional conductor model with 1m long and 1:30 aspect ratio was firstly conducted to investigate the influence of Reynolds number and wake effect on the mean drag coefficient of bundled conductors. Then, sectional model tests of 4-, 6- and 8-bundled conductors under different wind attack angles and velocities in the uniform flow were conducted to analyze the shielding effect of drag coefficient of bundled conductors. The results indicate that the interference shielding effect is evident for multi-bundled conductors. In addition, the variation of the wind attack angle has great effect on the wind loads, the values of which are obviously smaller than that of the current design specification. Therefore, it is of great importance to pay attention to the influence of the wind attack angle and interference shielding on the wind load computation in the design of bundled conductors.

wind load;aerodynamic drag coefficient;bundled conductors;wind tunnel test;interference shielding effect

1672-9897(2015)02-0037-06

10.11729/syltlx20140060

2014-05-22;

2014-08-07

ZuoTH,NiuHW,MinX,etal.Researchoninterferenceeffectsofwindloadonbundledconductors.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 37-42. 左太輝, 牛華偉, 閔 絢, 等. 分裂導(dǎo)線平均風(fēng)荷載阻力系數(shù)干擾效應(yīng)研究. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(2): 37-42.

TU311.3

A

左太輝(1987-)，男，碩士，助理工程師。研究方向：建筑物、輸電塔、橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。通信地址：廣東省廣州市天河區(qū)先烈東路121號廣東省建筑科學(xué)研究院(510050)。E-mail: hnhythzuo@163.com

*通信作者 E-mail: hnhythzuo@163.com