覆冰导线空气动力特性风洞试验及数值模拟

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在一定风速条件下,非圆截面的覆冰导线经风流过时容易产生低频大振幅的振动—驰振,即俗称的舞动。在风激励时覆冰导线气动力参数及其随风攻角的变化率是驰振的关键因素。在驰振研究中,首先需要的是覆冰导线在空气中的气动力参数,现有的试验研究多为均匀流。并且,对于分裂导线、斜风工况以及湍流风工况的研究较少。这些工况下的气动力参数为覆冰输电线的舞动分析的前提条件。论文主要运用风洞试验和数值模拟两种不同方法对新月形覆冰导线的空气动力特性及驰振进行研究,并探讨其在斜风以及湍流风下的气动力特性。论文研究工作主要包括以下几个方面:①覆冰导线气动力特性研究。进行了水平风下新月形覆冰导线的空气动力特性刚性模型风洞试验。测试了三种冰厚下单导线、四分裂导线的气动力参数。采用流体力学软件FLUENT,建立了覆冰导线模型,计算三种不同冰厚覆冰导线模型升力系数、阻力系数以及力矩系数,分析冰厚对新月形覆冰导线模型气动力参数的影响。从气动力负阻尼特点分析了覆冰导线发生驰振失稳的可能性。研究结果表明,数值模拟计算结果与试验结果吻合较好;在一定覆冰厚度范围内,冰厚越大,三分力系数越大;在小攻角范围内可能发生Den Hartog舞动,大攻角范围内发生Nigol舞动;在一定覆冰厚度范围内,覆冰厚度越大,导线越易发生舞动。②斜风下覆冰导线气动力特性研究。进行了斜风下新月形覆冰导线的空气动力特性模型风洞试验。在试验的基础上,通过流体力学软件FLUENT,建立了三维计算模型,计算出斜风下覆冰导线模型风向角范围在-50o~0o和0o~-50o内的阻力系数、升力系数以及力矩系数。对比研究分析表明,阻力系数呈逐渐减小趋势,升力系数曲线由正到负呈波状变化;力矩系数曲线呈波状,取值较小。根据邓哈托准则,斜风下覆冰单导线模型更容易产生垂直振动负阻尼,引发驰振;根据尼戈尔准则,斜风下覆冰单导线模型在大风向角范围内产生扭转振动负阻尼,引发驰振;传统的斜风分解法不适合进行斜风下覆冰导线风荷载计算,必须通过风洞试验来实测斜风下覆冰导线的风荷载。③湍流下覆冰导线空气动力特性。进行了新月形覆冰导线的空气动力特性模型风洞试验。基于FLUENT软件建立覆冰导线计算模型,分析湍流度对覆冰导线空气动力特性的影响,并探讨了湍流度对驰振的影响。研究表明,湍流明显提高阻力系数幅值,并且增强了升力系数曲线两侧的尖峰。新月形四分裂覆冰导线模型在湍流作用下更容易发生舞动,并随着湍流度的增大,对稳定越不利。但湍流对可能产生舞动的攻角范围影响很小。
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