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        表面粗糙度對(duì)導(dǎo)線風(fēng)荷載及渦激振動(dòng)的影響

        2018-04-24 09:13:35晏致濤王靈芝
        振動(dòng)與沖擊 2018年7期
        關(guān)鍵詞:渦激氣動(dòng)力雷諾數(shù)

        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(guó)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(lái)隨著特高壓輸電工程的迅速發(fā)展,對(duì)輸電導(dǎo)線的氣動(dòng)性能的要求也逐漸增加[1]。輸電導(dǎo)線的截面形狀對(duì)導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性有重要影響,導(dǎo)線受到的風(fēng)壓占整個(gè)輸電線路風(fēng)壓的50%~70%。為了改善導(dǎo)線的氣動(dòng)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(duì)于導(dǎo)線的氣動(dòng)特性的研究,大多數(shù)都將導(dǎo)線截面簡(jiǎn)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(dòng)問(wèn)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(duì)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(lái)流風(fēng)速條件下的渦致振動(dòng)特性。何長(zhǎng)江等[8]利用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格層鋪模型和滑移網(wǎng)格模型,通過(guò)用戶自定義接口編程,建立了二維圓柱體橫向渦激振動(dòng)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(dòng)。周?chē)?guó)成等[9]基于SSTk-ω湍流模型,運(yùn)用CFX動(dòng)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(dòng),得到了圓柱體渦激振動(dòng)的自激自限的性質(zhì)。董國(guó)朝[10]分別采用SST湍流模型與LES模型對(duì)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(duì)新型低阻LP810導(dǎo)線進(jìn)行雷諾數(shù)為76 000時(shí)氣動(dòng)力特性以及流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

        上述分析均基于光滑圓柱繞流,并沒(méi)有考慮鋼芯鋁絞線的表面粗糙特性對(duì)導(dǎo)線氣動(dòng)力以及渦激振動(dòng)的影響。本文采用流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT,對(duì)型號(hào)為JL/GIA 900/75的真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線及其常規(guī)簡(jiǎn)化的光滑截面導(dǎo)線進(jìn)行CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值建模,并對(duì)導(dǎo)線在高雷諾數(shù)下的氣動(dòng)力特性以及渦激振動(dòng)進(jìn)行模擬分析。針對(duì)兩種不同截面型式的導(dǎo)線,分析導(dǎo)線表面粗糙度對(duì)導(dǎo)線氣動(dòng)力和振動(dòng)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(dòng)規(guī)律可用N-S方程來(lái)描述,其在慣性直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程以及動(dòng)量方程可表示為

        (1)

        (2)

        式中:ρ為流體密度;t為流動(dòng)時(shí)間;i,j=1,2,3;μ為流體的動(dòng)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(dòng)計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)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(dòng)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(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度下截面質(zhì)量;Iz為體系的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)加速度(角加速度);Fd(t)、Fl(t)、Fm(t)分別為單位長(zhǎng)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?,豎直方向?yàn)闄M向,流體計(jì)算域上游來(lái)流區(qū)域長(zhǎng)度25D(D為導(dǎo)線迎風(fēng)面參考長(zhǎng)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(dòng)網(wǎng)格要求;在FLUENT計(jì)算中,二維模型默認(rèn)的展向長(zhǎng)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(dòng),左側(cè)進(jìn)口邊界設(shè)定為速度入口邊界,來(lái)流速度均勻;右側(cè)為流動(dòng)出口邊界,壓力出口,參考?jí)毫υO(shè)置為0;上下邊界定義為對(duì)稱邊界;圓柱體表面定義為無(wú)滑移壁面。

        流場(chǎng)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(guò)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(duì)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(chǎng)的變化較劇烈,對(duì)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(duì)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(shí)間步長(zhǎng)取值對(duì)數(shù)值計(jì)算精度有一定影響,本文采用定義無(wú)量綱時(shí)間步長(zhǎng)t′(t′=tU/D)進(jìn)行衡量,針對(duì)不同的來(lái)流風(fēng)速,采取不同的時(shí)間步長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的計(jì)算步長(zhǎng),本文最終采用的t′取值約為0.12。

        其余無(wú)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(wú)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(dòng)的前兩階主頻;y為導(dǎo)線的橫向振動(dòng)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(xiě)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(guò)編寫(xiě)用戶自定義程序,采用Newmark-β法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),利用動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(shuō)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(lái)流風(fēng)速分別為7.7 m/s和21.7 m/s時(shí),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?jiàn),兩種風(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(duì)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(dòng)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(dòng)力特性

        對(duì)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(dòng)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(dòng)力系數(shù)特征值變化趨勢(shì)基本一致,均是先增大再減小最后保持上升趨勢(shì)。此外,在同一折減風(fēng)速下,粗糙截面導(dǎo)線的氣動(dòng)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(duì)固定導(dǎo)線的作用力。

        對(duì)導(dǎo)線的氣動(dòng)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(lèi)似;在折減風(fēng)速較低時(shí),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(dòng)力的變化周期。

        進(jìn)一步分析表面粗糙度對(duì)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(dòng)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?,?duì)真實(shí)粗糙截面導(dǎo)線以及光滑截面導(dǎo)線的橫向振動(dòng)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(duì)導(dǎo)線渦激振動(dòng)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(dòng)時(shí)氣動(dòng)力系數(shù)特征值隨折減風(fēng)速的變化規(guī)律??芍S著折減風(fēng)速增加,光滑截面導(dǎo)線的氣動(dòng)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(dòng)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(shuō)明導(dǎo)線的橫向振動(dòng)改變了其氣動(dòng)力的變化規(guī)律。此外,在折減風(fēng)速較低和較高時(shí),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(dòng)力特征值變化更為劇烈,且劇烈變化區(qū)域所對(duì)應(yīng)的折減風(fēng)速范圍有所增加,極值所對(duì)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(wú)量綱振動(dòng)位移幅值Y

        (f)橫向振動(dòng)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(dòng)時(shí)氣動(dòng)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(dòng)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(shí),兩種截面導(dǎo)線的氣動(dòng)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(dòng),此時(shí)“鎖定”現(xiàn)象出現(xiàn)。且在“鎖定”區(qū),粗糙導(dǎo)線的氣動(dòng)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(dòng)位移響應(yīng)(無(wú)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(shuō)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(shì)。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(duì)應(yīng)的風(fēng)速也大一些,且其最大振動(dòng)幅值達(dá)0.9D,遠(yuǎn)大于光滑截面的振動(dòng)幅值。

        對(duì)導(dǎo)線的橫向位移時(shí)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(dòng)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(dòng)出現(xiàn)兩個(gè)主頻:其中一個(gè)為結(jié)構(gòu)的自振頻率,另一個(gè)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(zhǎng)度大于光滑截面。由此說(shuō)明,導(dǎo)線的表面粗糙度對(duì)導(dǎo)線的橫向振動(dòng)有影響。

        導(dǎo)線渦激振動(dòng)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(dòng)力。對(duì)導(dǎo)線所在流場(chǎng)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(gè)不同時(shí)刻的流場(chǎng)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(dòng)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(duì)導(dǎo)線振動(dòng)響應(yīng)的影響,利用ICEM對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,采用動(dòng)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(duì)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(dòng)力特征值要更小,說(shuō)明結(jié)構(gòu)表面的粗糙度降低了流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力,但增大了結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力變化周期。

        (2)兩種截面型式導(dǎo)線的橫向流固耦合振動(dòng)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(dòng)力和振動(dòng)幅值出現(xiàn)峰值所對(duì)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(dòng)幅值遠(yuǎn)大于光滑截面導(dǎo)線的振動(dòng)幅值;對(duì)導(dǎo)線的流場(chǎng)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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