管構(gòu)件微風(fēng)振動(dòng)防治機(jī)理研究

李昌茂 楊映雯 文均容 蘭 英

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶401331）

我國幅員遼闊，能源資源和能源消費(fèi)很不均衡。為了實(shí)現(xiàn)能源的有效利用，建設(shè)具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電能力的特高壓輸電系統(tǒng),是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然要求[1]。近年來隨著特高壓輸電工程的迅速發(fā)展，使用鋼管構(gòu)件的輸電塔數(shù)量逐漸增加[2]。然而，當(dāng)恒定風(fēng)作用在圓截面構(gòu)件上時(shí)會(huì)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，這種上下交替產(chǎn)生的漩渦，在圓柱體上將產(chǎn)生一種上下交替的作用力，當(dāng)漩渦脫落頻率與構(gòu)件自振頻率接近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)渦激共振的現(xiàn)象，電力工程上常稱為微風(fēng)振動(dòng)[3]。由于鋼管塔圓管構(gòu)件長時(shí)間處于風(fēng)速較低的環(huán)境，反復(fù)的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼管塔圓管構(gòu)件螺栓連接松動(dòng)和疲勞破壞[4]。

因此，基于微風(fēng)振動(dòng)的基本理論對(duì)鋼管塔圓管構(gòu)件微風(fēng)振動(dòng)的防治機(jī)理研究具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。楊靖波，李正，王朝景[4-9]多次采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方式對(duì)特高壓鋼管塔構(gòu)件微風(fēng)振動(dòng)特性及其抑振措施研究。本文基于微風(fēng)振動(dòng)的基本原理，建立了圓管構(gòu)件的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬模型，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式，共同對(duì)圓管構(gòu)件的微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，研究其微風(fēng)振動(dòng)特性并探討鋼管構(gòu)件微風(fēng)振動(dòng)的防治機(jī)理。

1 微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)洞設(shè)定工況

風(fēng)洞試驗(yàn)工況設(shè)定模型的長度定為2200mm，圓管外徑為40mm。模型端部使豎向鉸接，利用ANSYS 軟件進(jìn)行建模分析，得到自振頻率為20.94Hz。

當(dāng)鋼管發(fā)生渦激共振時(shí)，自振頻率等于漩渦脫落頻率，而漩渦脫落主導(dǎo)頻率的近似計(jì)算公式為（1），可計(jì)算出構(gòu)件渦激振動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的理論來流風(fēng)速。

式中：fs為漩渦脫落頻率；U 為來流風(fēng)速；D 為鋼管直徑，取為0.04m；St為斯托羅哈數(shù)。

試驗(yàn)共測(cè)試了180 度角、120 度角、90 度角，三種不同布置角度的擾流板對(duì)微風(fēng)振動(dòng)防治措施的效果。布置方案如圖1 所示。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

漩渦脫落頻率與圓柱體的某階固有頻率接近時(shí)，發(fā)生渦激共振。對(duì)以上工況進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來流風(fēng)速為4.767m/s，微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)象最為明顯，振幅最大。通過激光位移測(cè)定儀可獲得圓管構(gòu)件發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)時(shí)的位移曲線時(shí)程圖，其中圓管構(gòu)件振幅為4.47mm，將圓管桿件位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，可以得出其振動(dòng)頻率。得到圓管振動(dòng)頻率為21.4Hz。

將以上三種工況進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過調(diào)整風(fēng)速，圓管構(gòu)件有不同的最大位移，其風(fēng)速與最大位移的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 圓管構(gòu)件附加擾流板

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）布置擾流板可以有效減小圓管構(gòu)件的微風(fēng)振動(dòng)最大振幅。（2）擾流板布置與來流風(fēng)速夾角為90 度時(shí)振幅為1.06mm，是三種工況中的最優(yōu)工況，；擾流板布置與來流風(fēng)速為120 度時(shí)，振幅為1.71mm；擾流板布置與來流風(fēng)速為180 度時(shí)，振幅為3.16mm，是三種附加擾流板的工況中防治效果最差的一種工況。

2 微風(fēng)振動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)洞設(shè)定工況

本文數(shù)值模擬分析中，采用軟件Fluent18.2 版進(jìn)行計(jì)算，二維雙精度求解器（64 位求解器）；設(shè)定工況與上一節(jié)風(fēng)洞試驗(yàn)相一致，導(dǎo)線直徑D＝40mm；單位質(zhì)量長度為m＝1.084kg；橫向?yàn)殂q接，剛度為26188。本文計(jì)算步長t 為0.001s。

2.2 微風(fēng)振動(dòng)結(jié)果與分析

對(duì)以上工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過觀察其壓力云圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)吹過圓管時(shí)，圓管背后產(chǎn)生漩渦，如圖3 所示。

圖3 圓管數(shù)值模擬壓力云圖

這種漩渦被稱為“卡門渦流”。圓管背風(fēng)出的漩渦上下交替產(chǎn)生，不斷地離開圓管體向后延伸，逐漸消失。

將升力系數(shù)及位移經(jīng)快速傅里葉變換，得到對(duì)應(yīng)的頻率，漩渦頻率fs與自振頻率fn相等且均為21.33Hz，表示漩渦脫落頻率被鎖定在鋼管構(gòu)件自振頻率附近。

將以上三種工況進(jìn)行計(jì)算分析。附加不同角度的擾流板對(duì)漩渦脫落的方式不同，改變了無擾流板圓管背后的良好且規(guī)律的旋渦脫落表現(xiàn)。

圖4 給出的升力系數(shù)頻率圖和圓管振動(dòng)頻率圖中，可以看出，通過附加擾流板，改變了漩渦脫落的頻率。在來流風(fēng)速不變的情況下，附加擾流板處的漩渦頻率fs1與未加擾流板處圓管構(gòu)件的漩渦頻率fs不同，且頻率fs1明顯小于頻率fs，然而附加了擾流板的圓管構(gòu)件的自振頻率fn與之前相差不大，導(dǎo)致漩渦頻率fs與自振頻率fn不同，不能產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)象。由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）增加擾流板使渦街脫落頻率改變，在原風(fēng)速情況下不能發(fā)生渦激共振。（2）布置不同角度的擾流板的升力系數(shù)幅值不同，在三種擾流板不同的工況中，升力系數(shù)幅值從大到小的排序?yàn)椋?0°大于120°大于180°

圖4 附加擾流板升力系數(shù)時(shí)程圖

3 結(jié)論

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬共同對(duì)特高壓鋼管構(gòu)件微風(fēng)振動(dòng)特性和擾流板抑制措施進(jìn)行了研究，分別對(duì)圓管構(gòu)件以及附加不同擾流板位置的圓管構(gòu)件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，基本結(jié)論如下：（1）在來流風(fēng)速不變的情況下，附加擾流板會(huì)使得漩渦脫落頻率減小，導(dǎo)致漩渦頻率fs與自振頻率fn不同，使其不產(chǎn)生渦激共振；（2）當(dāng)附加圓管構(gòu)件擾流板后，不產(chǎn)生渦激共振時(shí)，擾流板處的升力系數(shù)在一定范圍內(nèi)幅值越大，對(duì)整個(gè)圓管構(gòu)件的減振效果越好；（3）合理的擾流板布置方案可以有效減小圓管構(gòu)件的微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)象，在三種不同布置角度下，在90 度布置擾流板的減振效果最好。