表面粗糙度對導(dǎo)線風(fēng)荷載及渦激振動的影響

晏致濤, 王靈芝, 劉 軍, 游 溢,3,孫 毅

(1.重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331;2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045;3.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011)

作為一種大跨柔性結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)輸電導(dǎo)線形式大多為由多股鋁絞線纏繞在一起的圓形鋼芯鋁絞線。近年來隨著特高壓輸電工程的迅速發(fā)展，對輸電導(dǎo)線的氣動性能的要求也逐漸增加[1]。輸電導(dǎo)線的截面形狀對導(dǎo)線的氣動力特性有重要影響，導(dǎo)線受到的風(fēng)壓占整個輸電線路風(fēng)壓的50%～70%。為了改善導(dǎo)線的氣動性能，許多具有新型截面型式的大直徑導(dǎo)線結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用于工程實(shí)際[2]。而以往對于導(dǎo)線的氣動特性的研究，大多數(shù)都將導(dǎo)線截面簡化為光滑的圓形截面，忽略了導(dǎo)線表面粗糙度的影響。真實(shí)輸電導(dǎo)線及其模型,如圖1所示。

(a)真實(shí)輸電導(dǎo)線(b)同心鉸輸電導(dǎo)線模型

圖1 真實(shí)輸電導(dǎo)線及其模型

Fig.1 Model of the real transmission conductor with rough cross-section

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計(jì)算方法研究復(fù)雜流動問題日益成熟[3-5]。蘇銘德等[6]采用Smagorinsky渦黏性模型和有限體積法，對雷諾數(shù)Re為100～20 000的光滑圓形柱體截面進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。陳文禮等[7]采用基于湍流模型方法的CFX中剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，研究了光滑圓截面在不同來流風(fēng)速條件下的渦致振動特性。何長江等[8]利用動態(tài)網(wǎng)格層鋪模型和滑移網(wǎng)格模型，通過用戶自定義接口編程，建立了二維圓柱體橫向渦激振動的數(shù)值計(jì)算模型，并計(jì)算了雷諾數(shù)處于6 000～20 000變化范圍內(nèi)具有不同質(zhì)量-阻尼參數(shù)條件下的柱體振動。周國成等[9]基于SSTk-ω湍流模型，運(yùn)用CFX動網(wǎng)格層鋪技術(shù)，研究了Re約為3 900下圓形柱體的二維渦激振動，得到了圓柱體渦激振動的自激自限的性質(zhì)。董國朝[10]分別采用SST湍流模型與LES模型對不同雷諾數(shù)下的三維圓柱體進(jìn)行了非定常繞流的數(shù)值模擬計(jì)算。孫啟剛等[11]采用流體力學(xué)計(jì)算軟件，對新型低阻LP810導(dǎo)線進(jìn)行雷諾數(shù)為76 000時氣動力特性以及流場的數(shù)值模擬。

上述分析均基于光滑圓柱繞流，并沒有考慮鋼芯鋁絞線的表面粗糙特性對導(dǎo)線氣動力以及渦激振動的影響。本文采用流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT，對型號為JL/GIA 900/75的真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線及其常規(guī)簡化的光滑截面導(dǎo)線進(jìn)行CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值建模，并對導(dǎo)線在高雷諾數(shù)下的氣動力特性以及渦激振動進(jìn)行模擬分析。針對兩種不同截面型式的導(dǎo)線，分析導(dǎo)線表面粗糙度對導(dǎo)線氣動力和振動特性的影響。

1 流固耦合分析方法

黏性流體力學(xué)中，流體的運(yùn)動規(guī)律可用N-S方程來描述，其在慣性直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程以及動量方程可表示為

(1)

(2)

式中:ρ為流體密度;t為流動時間;i,j=1,2,3;μ為流體的動力黏性系數(shù)；Fi是流體微元體上i方向的壓力。

柱體繞流振動計(jì)算模型可簡化為一個質(zhì)量-剛度-阻尼體系。定義M,K和C分別為體系的質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼，則其三自由度模型的振動方程可表示為

(3)

式中:ξ、ω0分別為彈簧阻尼系統(tǒng)的阻尼比和圓頻率；M為體系展向長度為單位長度下截面質(zhì)量;Iz為體系的轉(zhuǎn)動慣量；X,Y,Z分別為截面沿流向、橫向、扭轉(zhuǎn)向的位移(角位移)，其一階導(dǎo)數(shù)為相應(yīng)的速度(角速度)，二階導(dǎo)數(shù)為對應(yīng)加速度(角加速度)；Fd(t)、Fl(t)、Fm(t)分別為單位長度截面所受到的阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力。

2 計(jì)算模型及設(shè)定

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格

選擇二維矩形流體域作為計(jì)算區(qū)域，定義初始坐標(biāo)原點(diǎn)與導(dǎo)線形心重合，水平方向?yàn)榱飨颍Q直方向?yàn)闄M向，流體計(jì)算域上游來流區(qū)域長度25D(D為導(dǎo)線迎風(fēng)面參考長度)，下游尾流區(qū)域取為65D以保證湍流的充分發(fā)展，上下邊界取30D以滿足阻塞率和動網(wǎng)格要求；在FLUENT計(jì)算中，二維模型默認(rèn)的展向長度為1 m，本文雷諾數(shù)處于高雷諾數(shù)的亞臨界區(qū)范圍內(nèi)，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。邊界條件設(shè)置如下：流體至左向右流動，左側(cè)進(jìn)口邊界設(shè)定為速度入口邊界，來流速度均勻；右側(cè)為流動出口邊界，壓力出口，參考壓力設(shè)置為0；上下邊界定義為對稱邊界；圓柱體表面定義為無滑移壁面。

流場計(jì)算域以及計(jì)算網(wǎng)格是CFD數(shù)值計(jì)算的載體，網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接關(guān)系到計(jì)算過程能否順利進(jìn)行以及計(jì)算結(jié)果的精確性。本文采用ICEM對計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，考慮到導(dǎo)線附近流場的變化較劇烈，對近壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，并控制壁面網(wǎng)格高度以減小網(wǎng)格對數(shù)值計(jì)算的影響。流體計(jì)算域的整體網(wǎng)格劃分,如圖2所示。兩種截面導(dǎo)線近壁面處網(wǎng)格劃分,如圖3所示。

圖2 流體計(jì)算域網(wǎng)格

(a)光滑截面導(dǎo)線近壁網(wǎng)格(b)真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線近壁網(wǎng)格

圖3 導(dǎo)線近壁面網(wǎng)格示意圖

Fig.3 Local grid refinement of smooth section conductors and real rough section conductors

2.2 計(jì)算參數(shù)和工況

本文數(shù)值模擬分析中，結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為，空氣密度ρ=1.225 kg/m3，導(dǎo)線直徑D=40.6 mm，質(zhì)量比m*=248(m*=m/(1/4πρD2L))，導(dǎo)線自振頻率fn=4.0 Hz，折減風(fēng)速Ur=4.33～10.149(Ur=U∞/fnD)。高雷諾數(shù)下時間步長取值對數(shù)值計(jì)算精度有一定影響，本文采用定義無量綱時間步長t′(t′=tU/D)進(jìn)行衡量，針對不同的來流風(fēng)速，采取不同的時間步長進(jìn)行計(jì)算并與以往研究結(jié)果進(jìn)行比較從而確定其對應(yīng)的計(jì)算步長，本文最終采用的t′取值約為0.12。

其余無量綱參數(shù)定義如下：雷諾數(shù)Re=ρUD/μ=UD/υ；斯托勞哈爾數(shù)St=fsD/U；無量綱橫向位移Y=y/D。其中:fs為渦脫落頻率;fy1,fy2為導(dǎo)線振動的前兩階主頻;y為導(dǎo)線的橫向振動位移。

FLUENT只是純粹的CFD計(jì)算軟件，并不能直接進(jìn)行固體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的求解，若要實(shí)現(xiàn)流固耦合計(jì)算，需要編寫相應(yīng)的程序求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。根據(jù)上一節(jié)理論，通過編寫用戶自定義程序，采用Newmark-β法求解結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，利用動網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格動態(tài)更新，最終實(shí)現(xiàn)輸電線的流固耦合求解。

3 導(dǎo)線風(fēng)荷載及渦振分析

3.1 精確度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所采用的數(shù)值模擬方法的精確度，首先對不同雷諾數(shù)下光滑圓形截面導(dǎo)線的固定繞流進(jìn)行數(shù)值分析，將得到的氣動阻力系數(shù)均值結(jié)果與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。Cd為導(dǎo)線的阻力系數(shù)。圖4(a)結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)下，截面的阻力系數(shù)均值隨雷諾數(shù)增加迅速下降；采用本文的計(jì)算思路所得到的CFD模擬結(jié)果與之前學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好；由圖4(b)可知，在高雷諾數(shù)下，光滑截面導(dǎo)線阻力系數(shù)均值基本保持平穩(wěn)，保持在約1.2，與Khalark的結(jié)果一致。由此可以說明采用本文的網(wǎng)格劃分策略及數(shù)值計(jì)算能夠滿足精度要求。

(a)低雷諾數(shù)下Cd均值

(b)高雷諾數(shù)下Cd均值

Fig.4 The mean of the aerodynamic drag coefficient of smooth cross-section conductors with different Reynolds number

此外，圖5給出了來流風(fēng)速分別為7.7 m/s和21.7 m/s時，真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線和光滑截面導(dǎo)線數(shù)值模擬結(jié)果以及原型導(dǎo)線的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果?？梢姡瑑煞N風(fēng)速下，真實(shí)的粗糙截面導(dǎo)線結(jié)果更接近風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)值。圖4和圖5的對比結(jié)果表明，本文所采用的計(jì)算模型有良好的精確性和可靠性。

圖5 兩種風(fēng)速下不同截面型式導(dǎo)線氣動阻力系數(shù)均值

Fig.5 The mean of the aerodynamic drag coefficient of two kinds of cross-section conductors with different wind speed

3.2 導(dǎo)線氣動力特性

對真實(shí)的粗糙截面以及常規(guī)光滑截面導(dǎo)線在不同風(fēng)速下的氣動特性進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)、圖6(b)可知，導(dǎo)線固定狀態(tài)下，光滑導(dǎo)線的阻力系數(shù)均值和均方根值隨折減風(fēng)速增加基本保持平穩(wěn)，升力系數(shù)最大值和均方根值均略有小幅增加；真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的氣動力系數(shù)特征值變化趨勢基本一致，均是先增大再減小最后保持上升趨勢。此外，在同一折減風(fēng)速下，粗糙截面導(dǎo)線的氣動力特征值均比光滑截面導(dǎo)線小，由此可以認(rèn)為：導(dǎo)線表面的粗糙度可以降低流體對固定導(dǎo)線的作用力。

對導(dǎo)線的氣動力進(jìn)行頻譜分析，由圖6(c)可知，粗糙截面導(dǎo)線阻力系數(shù)主頻約為升力系數(shù)主頻的兩倍，這與光滑截面導(dǎo)線的結(jié)果類似；在折減風(fēng)速較低時，粗糙截面導(dǎo)線與光滑截面導(dǎo)線的頻率值基本相等，而隨著折減風(fēng)速增加，真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的主頻要略微小于光滑截面導(dǎo)線的頻率值，表明導(dǎo)線的表面粗糙度略微增大了導(dǎo)線氣動力的變化周期。

進(jìn)一步分析表面粗糙度對固定導(dǎo)線漩渦脫落的影響。圖6(d)給出了粗糙截面導(dǎo)線與光滑截面導(dǎo)線的斯托勞哈爾數(shù)隨折減風(fēng)速的變化規(guī)律。由圖6(d)可知，固定狀態(tài)下光滑導(dǎo)線的St值隨折減風(fēng)速增加基本維持在約為0.2；而粗糙截面導(dǎo)線的St數(shù)始終小于同條件下光滑截面導(dǎo)線的St數(shù)，即導(dǎo)線的表面粗糙度減小了導(dǎo)線表面漩渦的脫落頻率。由此可以認(rèn)為，導(dǎo)線的表面粗糙度減小了漩渦的脫落頻率，增大了導(dǎo)線氣動力的變化周期。

(a)阻力系數(shù)Cd

(b)升力系數(shù)Cl

(c)頻率比

(d)St

3.3 導(dǎo)線橫向渦振分析

以雷諾數(shù)處于亞臨界區(qū)域?yàn)槔?，對真?shí)粗糙截面導(dǎo)線以及光滑截面導(dǎo)線的橫向振動進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬分析，研究導(dǎo)線表面粗糙度對導(dǎo)線渦激振動響應(yīng)的影響。

圖7(a)、圖7(b)分別給出了兩種截面型式導(dǎo)線橫向振動時氣動力系數(shù)特征值隨折減風(fēng)速的變化規(guī)律。可知，隨著折減風(fēng)速增加，光滑截面導(dǎo)線的氣動升阻力系數(shù)均出現(xiàn)先增大后減小最后保持平穩(wěn)的變化規(guī)律；而真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的氣動升阻力系數(shù)則是先增大再減小再略微增大趨向平穩(wěn)的規(guī)律。這一結(jié)果說明導(dǎo)線的橫向振動改變了其氣動力的變化規(guī)律。此外，在折減風(fēng)速較低和較高時，粗糙截面導(dǎo)線的阻力系數(shù)均值、均方根值以及升力系數(shù)最大值均小于光滑截面導(dǎo)線；而其升力系數(shù)均方根值則明顯大于光滑截面導(dǎo)線；而且，考慮導(dǎo)線表面粗糙度后的氣動力特征值變化更為劇烈，且劇烈變化區(qū)域所對應(yīng)的折減風(fēng)速范圍有所增加，極值所對應(yīng)的折減風(fēng)速也有所增大。

(a)Cd

(b)Cl

(c)頻率比

(d)St值

(e)無量綱振動位移幅值Y

(f)橫向振動頻率比

Fig.7 Aerodynamic coefficient and transverse displacement of the real rough cross-section conductors with transverse vibration considered under different reduced wind speed

圖7(c)、圖7(d)為兩種截面型式導(dǎo)線渦激振動時氣動力系數(shù)主頻以及St值隨折減風(fēng)速變化規(guī)律。結(jié)果表明，在折減風(fēng)速較低以及較高范圍內(nèi)，兩種截面型式導(dǎo)線的氣動力主頻大致相等，且均隨折減風(fēng)速增加而增加；而St值，兩種截面結(jié)果在均隨折減風(fēng)速的增大而增大的情況下，粗糙截面的結(jié)果始終略小于光滑截面導(dǎo)線的結(jié)果。此外，當(dāng)折減風(fēng)速為5～6時，兩種截面導(dǎo)線的氣動力主頻不再隨折減風(fēng)速增加而增加，St值也出現(xiàn)劇烈波動，此時“鎖定”現(xiàn)象出現(xiàn)。且在“鎖定”區(qū)，粗糙導(dǎo)線的氣動特性比光滑導(dǎo)線變化更為劇烈。

圖7(e)給出了兩種導(dǎo)線橫向振動位移響應(yīng)(無量綱位移Y=y/D)最大值以及均方根值隨折減風(fēng)速的規(guī)律變化。結(jié)果說明，兩種截面導(dǎo)線的位移響應(yīng)最大值以及均方根值隨折減風(fēng)速增大均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。與光滑導(dǎo)線相比較，真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的 “鎖定”區(qū)域范圍要廣，峰值響應(yīng)所對應(yīng)的風(fēng)速也大一些，且其最大振動幅值達(dá)0.9D，遠(yuǎn)大于光滑截面的振動幅值。

對導(dǎo)線的橫向位移時程進(jìn)行頻譜分析，得到位移主頻關(guān)系,如圖7(f)所示。其中，fy1,fy2分別為導(dǎo)線橫向振動一階、二階主頻，fn為導(dǎo)線的自振頻率。由圖7(f)可知，在非“鎖定”區(qū)，導(dǎo)線的橫向振動出現(xiàn)兩個主頻：其中一個為結(jié)構(gòu)的自振頻率，另一個為漩渦的脫落頻率，且真實(shí)截面的一階主頻要略小于光滑截面，鎖定區(qū)長度大于光滑截面。由此說明，導(dǎo)線的表面粗糙度對導(dǎo)線的橫向振動有影響。

導(dǎo)線渦激振動的主要原因是結(jié)構(gòu)表面漩渦的交替脫落引起的不平衡氣動力。對導(dǎo)線所在流場進(jìn)行可視化分析，可以得到導(dǎo)線的渦脫規(guī)律。折減風(fēng)速下真實(shí)導(dǎo)線截面和光滑截面在四個不同時刻的流場分布圖,如圖8所示。由圖8可知，考慮導(dǎo)線表面粗糙度影響后，漩渦在每一根絞線上均有可能產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象并形成細(xì)小的漩渦脫落，這一點(diǎn)不同于光滑柱體截面；而在遠(yuǎn)離柱體的下游，則匯合形成統(tǒng)一的渦街，這與光滑截面導(dǎo)線一致。

4 結(jié) 論

為研究導(dǎo)線表面粗糙度對導(dǎo)線振動響應(yīng)的影響，利用ICEM對流體計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，采用動網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格技術(shù)以及用戶自定義接口編程, 將計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的Newmark-β代碼嵌入FLUENT軟件，分別對真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線以及常規(guī)光滑截面導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

(1)兩種截面導(dǎo)線的固定繞流結(jié)果表明，與光滑截面導(dǎo)線相比，真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的氣動力特征值要更小，說明結(jié)構(gòu)表面的粗糙度降低了流體對結(jié)構(gòu)的作用力，但增大了結(jié)構(gòu)的氣動力變化周期。

(2)兩種截面型式導(dǎo)線的橫向流固耦合振動響應(yīng)結(jié)果表明，與光滑截面導(dǎo)線相比，真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線的氣動力和振動幅值出現(xiàn)峰值所對應(yīng)的折減風(fēng)速有所增加；導(dǎo)線的 “鎖定”區(qū)域范圍要廣，變化更為劇烈，且其最大振動幅值遠(yuǎn)大于光滑截面導(dǎo)線的振動幅值；對導(dǎo)線的流場進(jìn)行可視化分析，發(fā)現(xiàn)粗糙截面導(dǎo)線的漩渦分離點(diǎn)并不單一。

(a)真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線

(b)光滑截面導(dǎo)線

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