樓文娟，呂江，閻東，楊曉輝

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州市310058;2.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州市450052)

不同初凝角下D形覆冰分裂導(dǎo)線氣動力特性

樓文娟1，呂江1，閻東2，楊曉輝2

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州市310058;2.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州市450052)

通過剛性節(jié)段模型高頻測力天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，對D形覆冰二分裂和六分裂導(dǎo)線模型進(jìn)行了13組不同工況的試驗(yàn)，測得了在不同初凝角下分裂導(dǎo)線整體和60°初凝角下各子導(dǎo)線的氣動力系數(shù)，攻角范圍為0°～360°，并以5°為各攻角間隔，基于鄧哈托準(zhǔn)則，對D形覆冰分裂導(dǎo)線的馳振穩(wěn)定性進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:初凝角對覆冰分裂導(dǎo)線氣動力特性及馳振穩(wěn)定性存在影響;在一定風(fēng)攻角下，子導(dǎo)線尾流干擾對氣動力特性影響顯著，增大了導(dǎo)線的馳振不穩(wěn)定性。所得試驗(yàn)結(jié)果為D形覆冰二分裂和六分裂導(dǎo)線的舞動分析及其防治技術(shù)提供了必要的氣動力數(shù)據(jù)。

D形覆冰導(dǎo)線;分裂導(dǎo)線;初凝角;子導(dǎo)線;氣動力特性;舞動

0 引言

在一定的風(fēng)速和風(fēng)攻角條件下，覆冰導(dǎo)線容易產(chǎn)生馳振［1］。馳振是一種低頻率、大振幅的自激振動，會對輸電線路的安全產(chǎn)生巨大的威脅。覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù)是分析輸電線路馳振必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Den Hartog［2］和O.Nigol［3］分別提出了單自由度豎向馳振理論和扭轉(zhuǎn)馳振理論，為覆冰導(dǎo)線的馳振分析提供了理論依據(jù)。氣動力試驗(yàn)方面，O.Nigol等［4］最早對新月形覆冰導(dǎo)線進(jìn)行了氣動力試驗(yàn)。Takesi Ishihara［5］對3種不同覆冰厚度的類新月形覆冰單導(dǎo)線及四分裂導(dǎo)線的氣動力特性進(jìn)行了試驗(yàn)。李萬平等［6-7］測量了新月形覆冰三分裂導(dǎo)線的氣動力特性。王昕等［8-9］對新月形單導(dǎo)線和D形覆冰單導(dǎo)線進(jìn)行了氣動力測試，得到了可能發(fā)生馳振的風(fēng)攻角范圍。顧明，李海若等［10-12］對準(zhǔn)橢圓及扇形覆冰導(dǎo)線氣動力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。呂翼，葉文娟等［13-14］將氣動力試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。林?。?5］對國內(nèi)外覆冰導(dǎo)線氣動力試驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。

輸電導(dǎo)線的覆冰形狀受覆冰時(shí)氣象條件的影響:在低溫微風(fēng)且雨量較少的天氣，水滴與導(dǎo)線表面一觸即凝，將形成典型的新月形覆冰;在氣溫相對較高，且雨量較大時(shí)，水滴在導(dǎo)線表面無法一觸即凝，且由于風(fēng)經(jīng)過導(dǎo)線壁面流動產(chǎn)生分離點(diǎn)，使得冰形外圍產(chǎn)生角點(diǎn)，形成近似D形的覆冰截面形狀。在以往的研究中，更多的是針對新月形覆冰進(jìn)行研究，對D形覆冰研究較少，尤其對D形覆冰六分裂導(dǎo)線缺乏試驗(yàn)研究。為積累典型冰形下導(dǎo)線的氣動力系數(shù)，本文選擇D形覆冰導(dǎo)線截面，以二分裂、六分裂覆冰導(dǎo)線為研究對象。

由于覆冰導(dǎo)線抗扭剛度、風(fēng)速風(fēng)向、溫度等因素的變化，會帶來初始凝冰方向的不同。以往的氣動力試驗(yàn)中，覆冰導(dǎo)線的初凝角并沒有統(tǒng)一的取值，本文則對不同初凝角下的覆冰導(dǎo)線氣動力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。另一方面，由于尾流干擾效應(yīng)，分裂導(dǎo)線中各子導(dǎo)線的氣動力特性較為復(fù)雜，以往的試驗(yàn)中多針對單導(dǎo)線或是分裂導(dǎo)線中的1根子導(dǎo)線進(jìn)行測量，而沒有對分裂導(dǎo)線中的各個(gè)子導(dǎo)線進(jìn)行單獨(dú)的測定，本次試驗(yàn)中則分別對各子導(dǎo)線的氣動力系數(shù)進(jìn)行了測定。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r

1.1 剛性節(jié)段模型

本文針對類D形覆冰進(jìn)行研究，如圖1所示。采用玻璃鋼制作剛性節(jié)段模型，按1∶1的幾何尺寸制作。導(dǎo)線直徑為23.9 mm，覆冰截面最大厚度為70 mm，長度為800 mm。

1.2 試驗(yàn)工況

覆冰分裂導(dǎo)線初凝角的不同，將導(dǎo)致各覆冰子導(dǎo)線相對位置的變化，進(jìn)而帶來導(dǎo)線間干擾作用的變化，影響導(dǎo)線的氣動力特性。本文選擇30°、45°、60°、75°初凝角進(jìn)行氣動力試驗(yàn)，研究不同初凝角下覆冰二分裂、六分裂導(dǎo)線整體氣動力的特性，各初凝角覆冰導(dǎo)線分布如圖2所示。

覆冰分裂導(dǎo)線由于尾流干擾，各子導(dǎo)線的氣動力特性有較大的區(qū)別，尤其在子導(dǎo)線順風(fēng)向遮擋的情況下，被遮擋的子導(dǎo)線由于阻力顯著減小，容易引發(fā)馳振不穩(wěn)定性。因此本文對覆冰分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線氣動力分別進(jìn)行了測量，以研究尾流干擾對子導(dǎo)線氣動力的影響，試驗(yàn)工況及導(dǎo)線編號如圖3所示。覆冰二分裂子導(dǎo)線間距為448 mm，覆冰六分裂導(dǎo)線呈正六邊形，邊長為375 mm。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞ZD-1中進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為4 m(寬)×3 m(高)×18 m(長)。在均勻湍流場中進(jìn)行試驗(yàn)，湍流度為5%，平均風(fēng)速為10 m/s。數(shù)據(jù)測量采用德國ME-SYSTEM公司生產(chǎn)的高頻動態(tài)測力天平，如圖4所示。采用天平的小量程，水平力量程為20 N，扭矩量程為4 N·m，測力精度為3‰，采樣頻率為200 Hz。

風(fēng)洞洞壁使繞流模型的流動受到限制，改變了模型周圍的流場結(jié)構(gòu)，從而影響模型的氣動力特性，稱之為洞壁干擾。為消除上下壁的干擾，本實(shí)驗(yàn)將試驗(yàn)平臺整體上移。此外，為盡可能消除模型端部的三維流效應(yīng)，在模型頂端加端板，但為保證端板上的力不被天平感知，模型與端板間留有極小的間隙，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 中，試驗(yàn)導(dǎo)線豎向放置于上下端板之間，上端板通過螺桿懸掛于風(fēng)洞頂面，下端板通過支桿立于風(fēng)洞底面。天平放置于端板下部，通過金屬連接板與導(dǎo)線相連，連接板及導(dǎo)線布置如圖6所示。

3 氣動力特性分析

3.1 氣動力系數(shù)定義

覆冰導(dǎo)線氣動力特性參數(shù)主要有阻力系數(shù)，升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)。無量綱的覆冰分裂導(dǎo)線整體氣動力系數(shù)定義如下:

式中:CND(t)、CNL(t)分別為覆冰分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)和升力系數(shù);FD(t)、FL(t)分別為覆冰分裂導(dǎo)線的整體氣動阻力和升力;ρ、U、D、H分別為空氣密度、試驗(yàn)風(fēng)速、祼導(dǎo)線直徑和試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行чL度，本文取空氣密度為1.225 kg/m3;N為分裂子導(dǎo)線的數(shù)量，N=2，6。

3.2 不同初凝角下的整體氣動力特性

由圖7、圖8可見，初凝角的變化對升力系數(shù)的影響較小，但對阻力系數(shù)有一定的影響。由鄧哈托馳振原理可知，升力系數(shù)曲線出現(xiàn)負(fù)斜率的風(fēng)攻角區(qū)域可能產(chǎn)生馳振，升力系數(shù)曲線中60°～90°、150°～225°、275°～300°風(fēng)攻角區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)斜率。

對于覆冰二分裂導(dǎo)線，160°～225°風(fēng)攻角下，各初凝角下的升力系數(shù)基本重合，但阻力系數(shù)存在較大差異且以初凝角75°時(shí)為最小，由此將引起鄧哈托系數(shù)的變化和馳振穩(wěn)定性的差異。

在特定風(fēng)向角下阻力系數(shù)曲線出現(xiàn)了局部波動。初凝角為30°、45°、60°、75°的各曲線，分別在60°、45°、30°、15°的風(fēng)向角附近出現(xiàn)波動，阻力系數(shù)降幅達(dá)到0.5，升力系數(shù)略有增長。這是由于分裂導(dǎo)線間出現(xiàn)順風(fēng)向遮擋和尾流干擾，影響了整體的氣動力特性。同理，在240°、225°、210°、195°風(fēng)向角附近也出現(xiàn)了尾流干擾。

對于覆冰六分裂導(dǎo)線，160°～225°風(fēng)攻角下氣動力系數(shù)差異不如覆冰二分裂導(dǎo)線明顯;但氣動力曲線總體上存在更多的波動，這是由于六分裂的順風(fēng)向遮擋更為頻繁，尾流干擾更加復(fù)雜。

3.3 覆冰子導(dǎo)線氣動力特性

對于60°初凝角的工況，進(jìn)行了各子導(dǎo)線的氣動力測試。圖9、圖10分別給出了覆冰二分裂、六分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線的氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化圖，并繪制分裂導(dǎo)線整體升力系數(shù)、阻力系數(shù)與之對比?？梢钥闯?，各子導(dǎo)線氣動力隨風(fēng)攻角的整體變化規(guī)律相同。

對于覆冰二分裂導(dǎo)線，由圖9可知，當(dāng)子導(dǎo)線順風(fēng)向遮擋和尾流干擾時(shí)，受遮擋子導(dǎo)線和整體氣動力都發(fā)生波動，但受遮擋子導(dǎo)線氣動力波動幅值大于整體波動幅值，阻力系數(shù)波動幅值大于升力系數(shù)波動幅值。如30°風(fēng)攻角附近，2號子導(dǎo)線受到遮擋，阻力系數(shù)最大降幅達(dá)1.5，升力系數(shù)最大增幅達(dá)0.5;相應(yīng)的分裂導(dǎo)線整體氣動力系數(shù)也發(fā)生波動，阻力系數(shù)最大降幅達(dá)0.7，升力系數(shù)最大增幅達(dá)0.25。

對于覆冰六分裂導(dǎo)線，由圖10可知，隨著風(fēng)攻角的變化，每根子導(dǎo)線將會分別受到5根子導(dǎo)線的遮擋，氣動力特性隨之發(fā)生波動。但由于遮擋距離和遮擋面積的不同，氣動力波動的幅度也有所不同。30°風(fēng)攻角下子導(dǎo)線干擾排布如圖11所示，在此風(fēng)攻角下，2號子導(dǎo)線受到1號子導(dǎo)線的遮擋，阻力系數(shù)下降1.5;3號子導(dǎo)線受到對角子導(dǎo)線的遮擋，阻力系數(shù)下降1.0。2號、3號子導(dǎo)線受到的遮擋面積相同，但遮擋距離相差1倍，這說明遮擋距離越短，干擾效應(yīng)越明顯，氣動力特性波動越顯著。

4 馳振穩(wěn)定性分析

4.1 馳振穩(wěn)定性判據(jù)

鄧哈托準(zhǔn)則提出，當(dāng)升力系數(shù)曲線斜率的負(fù)值大于阻力系數(shù)時(shí)，產(chǎn)生導(dǎo)線截面氣動不穩(wěn)定而可能發(fā)生舞動，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Den表示鄧哈托系數(shù);α為橫向運(yùn)動引起的相對風(fēng)攻角;CL為升力系數(shù);CD為阻力系數(shù)。

4.2 初凝角對分裂導(dǎo)線馳振穩(wěn)定性的影響

不同初凝角下覆冰分裂導(dǎo)線鄧哈托系數(shù)變化規(guī)律如圖12所示。由圖12可知，各曲線的整體變化規(guī)律相同，且關(guān)于180°風(fēng)攻角近似呈現(xiàn)對稱規(guī)律。馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角主要出現(xiàn)在3個(gè)區(qū)域，分別為60°～90°、150°～225°及280°～300°，這些區(qū)域中鄧哈托系數(shù)小于零或在零值附近波動，將發(fā)生舞動。但由于初凝角的不同，導(dǎo)線的氣動力系數(shù)曲線并不完全相同，如圖7所示升力系數(shù)曲線基本重合但阻力系數(shù)存在一定差異，使得各工況下的馳振不穩(wěn)定區(qū)域和鄧哈托系數(shù)出現(xiàn)變化。

各工況下的馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域及鄧哈托系數(shù)如表1所示。覆冰二分裂導(dǎo)線在75°初凝角下的馳振不穩(wěn)定性最為顯著，150°～225°馳振不穩(wěn)定區(qū)域中鄧哈托系數(shù)最小值達(dá)到了-8.5;覆冰六分裂導(dǎo)線在60°初凝角下的馳振不穩(wěn)定性最為顯著，其覆冰不穩(wěn)定區(qū)域最廣，且在150°～225°馳振不穩(wěn)定區(qū)域中鄧哈托系數(shù)最小值達(dá)到了-6.0。對比覆冰二、六分裂導(dǎo)線，在小攻角范圍(80°附近)，六分裂比二分裂的鄧哈托系數(shù)小;而在大攻角范圍(150°～225°)，最易舞動的是二分裂導(dǎo)線。

4.3 覆冰分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線馳振穩(wěn)定性分析

圖13、14分別為60°初凝角下覆冰二分裂、六分裂導(dǎo)線整體及各子導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)曲線，各曲線整體變化規(guī)律相同。覆冰二分裂導(dǎo)線的馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角主要集中在80°～95°、120°～225°及280°～290°;30°及210°風(fēng)攻角附近，出現(xiàn)子導(dǎo)線遮擋的情況，被遮擋的子導(dǎo)線氣動力系數(shù)發(fā)生變化，使得鄧哈托系數(shù)曲線發(fā)生波動。覆冰六分裂導(dǎo)線的馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域則集中在40°～85°、135°～225°及275°～300°。

各工況下分裂導(dǎo)線整體及各子導(dǎo)線馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域及鄧哈托系數(shù)見表2。覆冰二分裂導(dǎo)線，其2號子導(dǎo)線在30°風(fēng)攻角附近受到遮擋，使得馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域得到擴(kuò)展，且在220°風(fēng)攻角下達(dá)到鄧哈托系數(shù)最小值-8.0。覆冰六分裂導(dǎo)線，由于尾流干擾更為頻繁，使得馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域更為廣泛，1號子導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)在150°風(fēng)攻角附近出現(xiàn)最小值-9.0。

5 結(jié)論

(1)初凝角變化對升力系數(shù)影響較小，對阻力系數(shù)存在一定的影響:覆冰二分裂導(dǎo)線在160°～225°風(fēng)攻角下，阻力系數(shù)存在較大差異且以75°初凝角時(shí)為最小;覆冰六分裂導(dǎo)線在160°～225°風(fēng)攻角下氣動力系數(shù)差異不如二分裂導(dǎo)線明顯，但曲線整體存在更多的波動。

(2)子導(dǎo)線相互遮擋時(shí)，受遮擋子導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線整體氣動力曲線都將發(fā)生波動，其中受遮擋子導(dǎo)線氣動力波動幅值大于整體氣動力波動幅值，阻力系數(shù)波動幅值大于升力系數(shù)波動幅值。這說明子導(dǎo)線遮擋發(fā)生尾流干擾時(shí)，受遮擋子導(dǎo)線氣動力發(fā)生波動，進(jìn)而帶動分裂導(dǎo)線整體氣動力發(fā)生波動。各子導(dǎo)線的鄧哈托系數(shù)差異較大，因此對分裂導(dǎo)線不能簡化為單一導(dǎo)線，而是應(yīng)將各子導(dǎo)線建模進(jìn)行舞動分析。

(3)馳振穩(wěn)定性分析表明，覆冰分裂導(dǎo)線的馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角主要集中在3個(gè)區(qū)域，且以135°～225°區(qū)域最為不利。覆冰二分裂導(dǎo)線的最不利初凝角為75°，且鄧哈托系數(shù)最小值為-8.5;覆冰六分裂導(dǎo)線的最不利初凝角為60°，且鄧哈托系數(shù)最小值為-6.0。對比覆冰二、六分裂導(dǎo)線，二分裂的鄧哈托極值更小，但六分裂的馳振不穩(wěn)定風(fēng)攻角區(qū)域更廣。

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(編輯:張媛媛)

Aerodynamic Characteristics of D Shape Iced Bundled Conductors with Different Initial Attack Angles

LOU Wenjuan1，LYU Jiang1，YAN Dong2，YANG Xiaohui2
(1.Institute of Structural Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China; 2.Henan Electric Power Testing and Research Institute，Zhengzhou 450052，China)

By applying high frequency force balance technique on rigid section models in wind tunnel，the models of 2-bundle and 6-bundle D shape iced conductor in 13 different cases were tested.The static aerodynamic coefficients of the models，including the whole aerodynamic characteristic of different initial attack angle and each aerodynamic characteristic of sub-conductor in 60°attack angle，were obtained from 0°～360°by every 5°in wind tunnel test.Then the galloping stability of D shape iced conductor was analyzed based on the Den Hartog criterion.The test results show that the initial attack angle has impact on the aerodynamic characteristic and galloping stability of iced conductor.However，the wake interference around sub-conductors on aerodynamic characteristic is obvious under certain wind attack angles，furthermore，it improves the galloping instability.The obtained test results can provide basic aerodynamic data for the analysis and prevention technology of galloping of 2-bundle and 6-bundle D shape iced conductors.

Dshapeicedconductor;bundledconductors;initialattackangle;sub-conductors;aerodynamic characteristic;galloping

TM 75;TU 312.1

A

1000－7229(2014)01－0001－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.001［HT］

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178424)。

2013-09-23

2013-10-20

樓文娟(1963)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究工作，E-mail:louwj@zju.edu.cn;

呂江(1989)，男，碩士研究生，主要從事輸電塔線體系風(fēng)工程研究工作，E-mail:lvjiang@zju.edu.cn;

閻東(1972)，男，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)的研究工作;

楊曉輝(1982)，女，碩士，工程師，主要從事輸電線路防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)的研究工作。