輸電塔在風(fēng)雨耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的環(huán)保和科學(xué)進(jìn)步的意識(shí)增強(qiáng)，在工業(yè)上電力作為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和支撐人民生活的支柱產(chǎn)業(yè)也發(fā)生著巨大的變化，發(fā)展電力系統(tǒng)也成了電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。經(jīng)過文獻(xiàn)的查閱目前輸電塔的研究工作主要集中在抗暴風(fēng)和強(qiáng)振上，在風(fēng)雨耦合上相對(duì)較少。因此輸電塔在風(fēng)雨耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析是非常重要的。其得到的結(jié)果也可以為輸電塔設(shè)計(jì)和后期維護(hù)作為參考以減少巨大的損失和事故。

一、風(fēng)雨荷載

風(fēng)荷載是空氣在氣壓的變化下相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)。風(fēng)速越大對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力也越大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)的變形或破壞，特別是對(duì)于特高壓直流輸電塔由于其高度高、柔度大，對(duì)于風(fēng)荷載的作用更加敏感。風(fēng)荷載屬于隨機(jī)荷載不隨時(shí)間而變化。在輸電塔中任一點(diǎn)，任一高度的風(fēng)速總是為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速之和。其中平均風(fēng)速為：

脈動(dòng)風(fēng)速隨機(jī)的，取脈動(dòng)風(fēng)速譜為不同高度所測得的平均值，其中譜密度可以寫為：

式中，w為每平方米的風(fēng)力大小，γ為容重，g為重力加速度，V為風(fēng)速的大小。將其分為平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓之和則為；

二、雨荷載

在重力作用下，雨滴自由下落過程中當(dāng)速度達(dá)到某一值時(shí)，雨滴處于平衡狀態(tài)。此時(shí)雨滴勻速降落。這時(shí)候的雨速度則為雨的末速度V1。經(jīng)過文獻(xiàn)的查閱雨滴的末速度與雨滴最大截面尺寸有關(guān)。

根據(jù)碰撞定理雨滴的沖擊力也可以由以下公式表示

式中n為雨滴單位體積內(nèi)的雨滴數(shù)，ρ為雨滴密度Vs為雨滴碰撞前的末速度b為受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面寬度。

三、輸電塔體系模擬

本文主的靜態(tài)分析主要采用ANSYS來完成，首先需要模擬輸電塔模型建立有限元然后進(jìn)行計(jì)算，本文采用LINK10單元來建立輸電塔有限元模型，通過約束輸電塔底部的所有節(jié)點(diǎn)來模擬地面對(duì)輸電塔的約束。建立好輸電塔的幾何模型后，選擇適宜分析的網(wǎng)格大小對(duì)輸電塔進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在輸電塔有限元模型建立完成后將輸電塔導(dǎo)入ICEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格檢測和修補(bǔ)異性網(wǎng)格減少計(jì)算誤差。最后將輸電塔的有限元模型導(dǎo)入到FLUENT中。通過FLUENT中風(fēng)雨場模擬來追中雨滴的軌跡。

(一)風(fēng)場模擬

通過FLUENT對(duì)輸電塔的風(fēng)雨場進(jìn)行模擬，首先計(jì)算流場達(dá)到收斂，計(jì)算出純風(fēng)作用下的風(fēng)壓荷載，然后在流場上面設(shè)置雨滴為重力作用下的自由下降。其中風(fēng)雨荷載可以通過前面的式子計(jì)算得出。風(fēng)場選用RNGk-ε湍流模型。由于風(fēng)速為隨機(jī)風(fēng)速，通過用戶自定義函數(shù)UDF來實(shí)現(xiàn)風(fēng)場的入口。

(二)雨場模擬

采用0.01～0.6mm的雨滴直徑方位，將雨滴設(shè)置為DPM的離散相，將雨場的高度設(shè)置為50米，盡可能模擬雨滴達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的末速度。對(duì)雨滴的下落我們?cè)O(shè)置為面釋放，水平速度設(shè)置為零，將雨滴撞擊的表面和其他壁面設(shè)置為逃逸。即為當(dāng)雨滴在碰撞到輸電塔時(shí)即停止軌道的運(yùn)行，并記錄撞擊瞬間的基本信息。在FLUENT中設(shè)置為兩相相互影響。以便貼近實(shí)際的工況。

由于FLUENT只能追蹤雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此需要在雨滴撞擊面建立一個(gè)檢測面將雨滴沖擊輸電塔之前的運(yùn)動(dòng)狀況記錄下來，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS中，將荷載數(shù)據(jù)導(dǎo)入到輸電塔的撞擊面，通過ANSYS的求解模塊進(jìn)行求解。輸電塔在風(fēng)雨耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)的整個(gè)流程如下：