擾流板對鋼管構件渦激振動抑制效應的數值模擬研究★

單 強 劉 輝 周二彪 胡 奎 李光應 黃 國

(1.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000; 2.國網新疆電力有限公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000; 3.國網阿克蘇供電公司，新疆 阿克蘇 843000; 4.中國電力科學研究院有限公司，北京 100055)

1 概述

在電力工程建設中，存在許多鋼管構件，比如鋼管避雷針、鋼管塔中的鋼管桿件等等。當風速合適時，鋼管構件會發生渦激共振。這是因為氣流流經鋼管時，會在尾流區形成交替脫落的旋渦，產生垂直于流向的脈動升力。當脈動升力的頻率與鋼管的固有頻率相近時，鋼管就會發生渦激振動，對安全運行造成影響[1,2]。鋼管構件的臨界起振風速與其長細比有關，長細比大的鋼管構件臨界起振風速低，容易發生渦激振動[3,4]。常規的手段是通過加裝擾流板或者擾流線，改變其氣動外形，對渦激振動進行控制[5,6]。考慮到發生渦振地區的風向不定，通常情況下，擾流板或擾流線環繞鋼管四周布置。但是對于主導風向常年比較固定的地區，環繞四周的安裝方式會造成鋼材浪費，增加自重。沿鋼管通長方向安裝一塊條形擾流板也可以改變其氣動外形，擾亂鋼管尾渦的規則脫落。擾流板的朝向，即擾流板與風向的夾角是影響減振效果的關鍵參數，本文對這一關鍵參數進行研究。

2 計算模型

流場控制方程采用Navier-Stokes方程，如式(1)，式(2)表示：

(1)

(2)

其中，ρ為空氣密度；ui(i=1,2,3)分別為在直角坐標x(x1),y(x2),z(x3)方向的流體速度分量；fi為作用在流體單位質量上作用力的分量，σij為體積元dV的內部應力。▽代表哈密爾頓算子，其在直角坐標系下可以寫為：

(3)

鋼管在流體作用下的振動模型可以近似地簡化為一個彈簧振子體系。因為圓柱體扭轉影響較小，所以不考慮扭轉自由度的影響，只考慮Y方向的平動自由度。如果將體系的質量、彈簧剛度和阻尼分別用M,K和C表示，可以將單自由度振動模型用如下的方程表示為：

(4)

(5)

(6)

其中，U∞為來流的速度；D為結構的特征尺寸；CL(t)為圓柱受到的升力系數；CD(t)為圓柱受到的阻力系數；FD(t)為圓柱體受到的阻力對圓柱長度的均值。

采用弱耦合方法依次求解流場和圓柱響應。在流場求解中獲得圓柱壁面上的荷載，再將荷載施加到圓柱體求解其結構響應，之后再將結構響應反饋給流場。每求解一步，流場更新一次網格，往復循環實現流固耦合。

3 幾何建模

3.1 流場網格劃分

計算域如圖1所示，流域入口邊界寬20D，長度35D，中部劃分了5D×5D的區域包裹圓柱。采用結構化網格劃分計算域，內部核心區域劃分的網格如圖2所示。

3.2 邊界條件

在求解中，流域入口采用速度入口邊界條件，流域出口采用壓力出口邊界條件，上下壁面均采用對稱邊界條件，圓柱表面為無滑移壁面邊界。流動選為非定常流動，湍流強度設置為1%(見圖3)。

4 仿真結果

在計算中，以直徑40 mm鋁制圓管的渦激振動為研究對象，主要研究擾流板肋板周角對圓管渦激振動的抑制效果。采用2D網格進行大渦模擬，為簡化模型，將擾流板視為沿著圓管通長布置。工況設置如表1所示。

表1 模擬工況

以工況3為例，直徑為40 mm的圓管，在120°(右下方)附加肋板高度為20 mm的擾流板。在渦激共振區內，逐步測試不同風速下圓管的豎向振動位移，最終發現在3.75 m/s風速下，圓管的豎向振幅達到了最大。由圖4壓力云圖可以看出，增加擾流板后，在圓管尾流區不能形成明顯的卡門渦街，可以起到抑制圓管的渦激振動。

圓管振動穩定后，得出工況1～工況4條件下圓管的振幅以及阻力系數、升力系數，見表2。

表2 仿真結果

根據表2中的仿真結果，可知擾流板在90°和180°肋板周角情況下減振效果較好，120°肋板周角的減振效果不明顯。但對比90°和180°肋板周角工況，可以看到，90°肋板周角工況下會增大迎風阻力，增大風荷載，對安全不利。而180°肋板周角工況，可以同時顯著減小圓管阻力系數和升力系數，對安全運行有利。綜上考慮，布置180°肋板周角擾流板最為合理。

5 結語

沿圓管通長布置擾流板，在90°和180°肋板周角情況下可以取得較好的減振效果，120°肋板周角的減振效果不明顯。而90°肋板周角工況下會增大迎風阻力，180°肋板周角工況可以同時顯著減小圓管阻力系數和升力系數。因此，布置180°肋板周角擾流板最為合理。