一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)的氣動(dòng)力系數(shù)的方法，特別是一種計(jì)算風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)非定常氣動(dòng)力系數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]輸電導(dǎo)線的風(fēng)雨激振是固體，液體，氣體之間的耦合振動(dòng)。風(fēng)雨激振具有振幅大，頻率低、偶發(fā)性等特點(diǎn)，易造成金具劇烈磨損及導(dǎo)線傷股、斷股現(xiàn)象，嚴(yán)重影響輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對于輸電導(dǎo)線發(fā)生風(fēng)雨激振機(jī)理的研宄是亟待解決的關(guān)鍵問題。為揭示風(fēng)雨激振誘發(fā)機(jī)理，必須獲得輸電導(dǎo)線發(fā)生振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)。
[0003]目前，針對輸電風(fēng)雨激振的研宄方法主要包括:現(xiàn)場觀測、風(fēng)洞試驗(yàn)、理論分析以及CFD數(shù)值模擬計(jì)算。由于在風(fēng)雨條件下輸電導(dǎo)線會(huì)發(fā)生面內(nèi)和面外振動(dòng)，引起風(fēng)偏角，雨線位置不斷變化，因此難以通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法得到風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)非定常氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律。采用CFD數(shù)值模擬方法研宄輸電導(dǎo)線風(fēng)雨激振時(shí)可以獲得導(dǎo)線上的氣動(dòng)力，但通常情況下，隨著雷諾數(shù)的增大，網(wǎng)格數(shù)和計(jì)算量以指數(shù)級增長，使計(jì)算效率大大降低，甚至對某些問題難以計(jì)算得到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法。該方法不必進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算和數(shù)據(jù)交換，可以精準(zhǔn)，高效的計(jì)算出輸電導(dǎo)線發(fā)生風(fēng)雨激振時(shí)非定常氣動(dòng)力系數(shù)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，即實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法。包括以下步驟:(I)研制模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)；(2)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)用輸電導(dǎo)線模型；
(3)測試裝置獲取模型面內(nèi)外振幅和頻率；(4)將實(shí)驗(yàn)得到的模型振動(dòng)響應(yīng)作為動(dòng)邊界施加到CFD流場子結(jié)構(gòu)；(5)僅對動(dòng)邊界的繞流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算得出導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)。
[0007]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，所述子結(jié)構(gòu)包括輸電導(dǎo)線模型子結(jié)構(gòu)、上雨線子結(jié)構(gòu)和流場子結(jié)構(gòu)；其中上雨線子結(jié)構(gòu)截面形狀為類拋物線；寬度為8mm，高度為5mm。
[0008]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，步驟(I)中所述的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由斜流變頻風(fēng)機(jī)和矩形風(fēng)洞構(gòu)成。矩形風(fēng)洞整體由80XSOmm2的方鋼管焊接而成；實(shí)驗(yàn)臺(tái)總長4.5m，高2m，占地面積約9m2。通過變頻器改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而模擬不同的風(fēng)速。
[0009]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，步驟(2)中所述的實(shí)驗(yàn)用模型是由輸電導(dǎo)線模型和人工雨線模型組成。輸電導(dǎo)線模型是用空心鋁管模擬輸電導(dǎo)線，鋁管兩端分別焊接兩根實(shí)心軸，并在實(shí)心軸緊靠鋁管處安裝滾動(dòng)軸承；在實(shí)心軸的兩端分別懸掛兩組彈簧阻尼系統(tǒng)，彈簧阻尼系統(tǒng)固定于兩個(gè)矩形框；可實(shí)現(xiàn)水平、豎直方向的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輸電導(dǎo)線傾角和風(fēng)向角的變化。人工雨線模型是依附于模擬導(dǎo)線外表面上，其兩端固聯(lián)于滾動(dòng)軸承的外徑上。
[0010]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，步驟(3)中所述的測試裝置是由加速度傳感器、位移傳感器以及無線動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器組成。傳感器分別固定于實(shí)心軸的兩端，所測得的振動(dòng)信號(hào)被其旁的無線動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器接收。
[0011]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，步驟(4)中所述的動(dòng)邊界設(shè)置如下:輸電導(dǎo)線邊界按照風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測的振動(dòng)做橫向風(fēng)振動(dòng)；上雨線在跟隨輸電導(dǎo)線模型邊界做橫向風(fēng)振動(dòng)的同時(shí)，沿著導(dǎo)線模型邊界做環(huán)向振蕩。
[0012]前述風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法中，步驟(5)中所述的CFD數(shù)值模擬計(jì)算是僅對動(dòng)邊界繞流場的計(jì)算。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算和數(shù)據(jù)交換，可以極大地提高結(jié)構(gòu)風(fēng)致振的計(jì)算效率；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)是在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)中測到的，測到的水線和導(dǎo)線振動(dòng)響應(yīng)真實(shí)地反映了它們與流場之間的相互作用，因此，繞流場特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有較高的精度。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖；
[0015]圖2是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是帶有人工雨線的輸電導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是CFD模擬結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5是氣動(dòng)力升力系數(shù)時(shí)程變化曲線；
[0019]圖6是氣動(dòng)力阻力系數(shù)時(shí)程變化曲線；
[0020]其中，1-變頻器，2-斜流式風(fēng)機(jī)，3-矩形洞體，4-空心鋁管，5-人工雨線，6_無線動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器，7-彈簧阻尼系統(tǒng)，8-矩形框，9-軸承，10-實(shí)心軸，11-位移傳感器，12-加速度傳感器，13-來流風(fēng)，14-上水線子結(jié)構(gòu)，15-輸電導(dǎo)線子結(jié)構(gòu)，16-流場子結(jié)構(gòu)，17-面內(nèi)振動(dòng)阻尼系數(shù)，18-面內(nèi)振動(dòng)剛度，19-面外振動(dòng)剛度，20-面外振動(dòng)阻尼系數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例:
[0022]一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，即實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法。圖(I)所示包括以下步驟:(I)研制模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)；(2)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)用輸電導(dǎo)線模型；(3)測試裝置獲取模型面內(nèi)外振幅和頻率；(4)將實(shí)驗(yàn)得到的模型振動(dòng)響應(yīng)作為動(dòng)邊界施加到CFD流場子結(jié)構(gòu)；(5)僅對動(dòng)邊界的繞流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算得出導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)。
[0023]具體計(jì)算過程如下:
[0024](I)如圖⑵所示采用80 X 80mm2的方鋼管焊接成長度為4.5m，高度為2m的矩形風(fēng)洞體，將斜流變頻式風(fēng)機(jī)(1，2)安裝在矩形風(fēng)洞體3的一端，中心高度與輸電導(dǎo)線模型4中心高度持平。
[0025](2)如圖(3)所示采用長為1.2m，直徑為30mm的空心鋁管4兩端分別焊接兩根直徑為1mm的實(shí)心軸10，并實(shí)心軸緊靠鋁管處安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承9，軸承9內(nèi)圈與實(shí)心軸10過盈配合。人工雨線5依附于模擬導(dǎo)線4外表面上，其兩端固聯(lián)于滾動(dòng)軸承9的外徑上。在實(shí)心軸10的兩端分別懸掛兩組彈簧阻尼系統(tǒng)7，彈簧阻尼系統(tǒng)7固定于兩個(gè)矩形框8。通過矩形框8的水平，豎直方向相對移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同傾角和風(fēng)向角下的模擬輸電導(dǎo)線氣動(dòng)力分析。
[0026](3)將加速度傳感器12和位移傳感器11分別固定于實(shí)心軸10兩端。通過控制變頻器I和矩形框8的移動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速，不同風(fēng)向角下的模擬輸電導(dǎo)線和上雨線模型的振動(dòng)響應(yīng)；傳感器(11，12)將測得的振動(dòng)響應(yīng)傳給無線信號(hào)采集器6。
[0027](4)如圖(3)所不將CFD模擬系統(tǒng)分為流場子結(jié)構(gòu)16、輸電導(dǎo)線模型子結(jié)構(gòu)15和上雨線子結(jié)構(gòu)14 ;具體參數(shù):流場子結(jié)構(gòu)16的流場域尺寸為1200X600 (mm)，網(wǎng)格數(shù)250000 ;導(dǎo)線的CFD模型15以LGJ-500/35導(dǎo)線為原型，導(dǎo)線模型D = 30mm，密度為7000kg/m3;網(wǎng)格數(shù)為88 ;上水線14采用寬8mm，高5mm的類拋物線形的截面形狀，水線的相位角為60° ;導(dǎo)線和雨線模型距離流場入口邊界和上邊界各為300mm。
[0028](5)將步驟(3)測得的振動(dòng)響應(yīng)施加在流場子結(jié)構(gòu)16:輸電導(dǎo)線15邊界按照實(shí)測的振動(dòng)做橫向風(fēng)振動(dòng)；上雨線14在跟隨輸電導(dǎo)線模型邊界做橫向風(fēng)振動(dòng)的同時(shí)，沿著導(dǎo)線模型邊界做環(huán)向振蕩。
[0029](6)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算步數(shù)設(shè)置為3000 ;計(jì)算得到風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力升力系數(shù)圖(5)和阻力系數(shù)圖(6)。
[0030]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何在未脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種變化均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，即實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法。包括以下步驟:(I)研制模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)；(2)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)用輸電導(dǎo)線模型；(3)測試裝置獲取模型面內(nèi)外振幅和頻率；(4)將實(shí)驗(yàn)得到的模型振動(dòng)響應(yīng)作為動(dòng)邊界施加到CFD流場子結(jié)構(gòu)；(5)僅對動(dòng)邊界的繞流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算得出導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法，其特征在于所述子結(jié)構(gòu)包括輸電導(dǎo)線模型子結(jié)構(gòu)、上雨線子結(jié)構(gòu)和流場子結(jié)構(gòu)；其中上雨線子結(jié)構(gòu)截面形狀為類拋物線。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，其特征在于步驟(I)中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由斜流變頻風(fēng)機(jī)和矩形風(fēng)洞構(gòu)成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，其特征在于步驟(2)中所述的實(shí)驗(yàn)用模型是由輸電導(dǎo)線模型和人工雨線模型組成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，其特征在于步驟(3)中所述的測試裝置是由加速度傳感器、位移傳感器以及無線動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器組成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，其特征在于步驟(4)中所述的動(dòng)邊界設(shè)置如下:輸電導(dǎo)線邊界按照風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)測的振動(dòng)做橫向風(fēng)振動(dòng)；上雨線在跟隨輸電導(dǎo)線模型邊界做橫向風(fēng)振動(dòng)的同時(shí)，沿著導(dǎo)線模型邊界做環(huán)向振蕩。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種風(fēng)雨致輸電導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法，即實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬混合子結(jié)構(gòu)方法。包括以下步驟：(1)研制模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)；(2)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)用輸電導(dǎo)線模型；(3)測試裝置獲取模型面內(nèi)外振幅和頻率；(4)將實(shí)驗(yàn)得到的模型振動(dòng)響應(yīng)作為動(dòng)邊界施加到CFD流場子結(jié)構(gòu)；(5)僅對動(dòng)邊界的繞流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算得出導(dǎo)線振動(dòng)的非定常氣動(dòng)力系數(shù)。由于該方法不必進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算和數(shù)據(jù)的交換，因此可以極大地提高結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的計(jì)算效率；同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是物理測試得到的，因此繞流場特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有較高的精度。
【IPC分類】G01M9/06
【公開號(hào)】CN104964808
【申請?zhí)枴緾N201510379303
【發(fā)明人】周超, 李力, 劉衍平
【申請人】華北電力大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月2日