覆冰導(dǎo)線動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力特性模擬與分析

第一作者張喆女，碩士生，1988年生

通信作者楊秀萍女，教授，碩士生導(dǎo)師，1962年生

覆冰導(dǎo)線動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力特性模擬與分析

張喆1,2，楊秀萍1,2，郝淑英2

(1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384; 2.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300384)

摘要：為研究覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)氣動(dòng)力的特性，從弱耦合角度出發(fā)，基于流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Fluent二次開發(fā)，利用用戶自定義函數(shù)對(duì)導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡進(jìn)行編程并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)流固耦合。計(jì)算了新月形覆冰導(dǎo)線在橫向振動(dòng)下的氣動(dòng)力系數(shù)，并與靜態(tài)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較；分析了舞動(dòng)幅值、頻率和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力的影響。結(jié)果表明：相同風(fēng)速下，動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)大于靜態(tài)值，二者具有相同的變化規(guī)律；阻力、升力系數(shù)隨舞動(dòng)幅值增大顯著增加，特別是升力系數(shù)成倍增加；振動(dòng)頻率增加，也使動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)增大，但頻率對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力的影響小于幅值的影響；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力有一定的影響。工程中采用靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)預(yù)測(cè)大檔距舞動(dòng)引起的斷線的臨界風(fēng)速和塔承受的荷載，其結(jié)果不安全，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)舞動(dòng)的影響。

關(guān)鍵詞：覆冰導(dǎo)線；動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)；舞動(dòng)；數(shù)值模擬

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11JCYBJC05800)

收稿日期：2013-08-08修改稿收到日期：2014-02-22

中圖分類號(hào):O355；TM726

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.033

Abstract:In order to study the aerodynamic characteristics of galloping of iced conductor, based on software Fluent redevelopment, a user-defined function was introduced to describe the track of conductor galloping and the dynamic mesh technology was used to realize the fluid and solid coupling in accordance with a weakly coupled model. The aerodynamic coefficients of crescent iced conductor during lateral vibration were calculated, and compared with the results from simulation of the conductor in static state and also from experimental data. The effects of galloping amplitude, frequency and torsional vibration on the dynamic aerodynamic forces were analyzed. The results show that the dynamic aerodynamic coefficients are larger than the static ones, and they have the same variation trend under the same wind speed. Drag and lift coefficients increase significantly with the increase of galloping amplitude, especially the lift coefficient will be multiplied. The frequency increase also makes the dynamic aerodynamic coefficients increasing, but the effect of frequency on the dynamic aerodynamic force is less than that of amplitude. Torsional vibration has a certain influence on the dynamic aerodynamic force. When the static aerodynamic coefficients are used to forecast the critical wind speed of conductor break and the tower loads caused by large span galloping in engineering, the results tend to be unsafe. The effects of dynamic aerodynamic coefficients on galloping should not be ignored.

Numerical simulation and analysis of dynamic aerodynamic characteristics of iced conductor

ZHANGZhe1,2,YANGXiu-ping1,2，HAOShu-ying2(1. Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System, Tianjin 300384, China;2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Key words:iced conductor; dynamic aerodynamic coefficient; galloping; numerical simulation

非圓截面的覆冰導(dǎo)線在一定風(fēng)速條件下易發(fā)生低頻大振幅的舞動(dòng)，對(duì)輸電線路的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。自上世紀(jì)以來，國(guó)外學(xué)者開始了導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理的相關(guān)研究。目前國(guó)際上普遍接受的有Den Hartog[1]的橫向舞動(dòng)機(jī)理、Nigol[2]的扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理和Yu[3]的慣性耦合機(jī)理等。

由上述三種舞動(dòng)機(jī)理可知，氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)研究覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外研究舞動(dòng)行為時(shí)，通常是把靜態(tài)試驗(yàn)得到的氣動(dòng)力系數(shù)用于動(dòng)態(tài)馳振的機(jī)理分析和舞動(dòng)的數(shù)值模擬研究[4]，對(duì)其精確性進(jìn)行詳細(xì)研究的學(xué)者并不多。由于覆冰導(dǎo)線的垂直振動(dòng)與扭振耦合，實(shí)際的氣動(dòng)力隨時(shí)間和導(dǎo)線位置、速度等時(shí)刻變化，這種“準(zhǔn)靜態(tài)”假設(shè)并不完全適用，有必要采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)或模擬的方法來考察覆冰導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)，即導(dǎo)線在與氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)力特性，考慮流固耦合的因素，以便進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和抑制覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)。

在研究動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力方面，Kimura等[5-6]對(duì)類似新月形覆冰導(dǎo)線在橫向振動(dòng)和扭振狀態(tài)下的升力和扭轉(zhuǎn)系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)在一定程度上的適用性，比較了動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力與靜態(tài)氣動(dòng)力的不同。李萬(wàn)平等[7]對(duì)三分裂覆冰導(dǎo)線進(jìn)行了動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力特性試驗(yàn)，討論了準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)在覆冰導(dǎo)線群的馳振分析中的適用性。目前，對(duì)于覆冰導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力還缺乏更多的研究。由于動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)的獲得需要更為復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)備和裝置，且舞動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)很難確定，特別是大檔距、舞動(dòng)振幅較大時(shí)。因此本文采用數(shù)值方法，從弱耦合角度出發(fā)，對(duì)流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Fluent進(jìn)行二次開發(fā)，利用用戶自定義函數(shù)對(duì)導(dǎo)線的舞動(dòng)軌跡進(jìn)行編程并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)流固耦合，研究覆冰導(dǎo)線在橫向振動(dòng)下氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律，分析舞動(dòng)振幅、頻率及扭轉(zhuǎn)對(duì)氣動(dòng)力的影響。該研究可為準(zhǔn)確分析覆冰輸電線路的動(dòng)力學(xué)特性和設(shè)計(jì)輸電線路提供依據(jù)。

1基本方程與求解方法

流體域的控制方程可用二維不可壓縮粘性流體的連續(xù)性方程和N-S方程來描述。

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

式(1)、(2)中ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘度系數(shù)；p為流體壓強(qiáng)；u、v分別為流體沿x方向和y方向的速度。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，輸運(yùn)方程為

(3)

式中k和ε為兩個(gè)未知量；k和ε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，分別取1和1.3；C1ε、C2ε和Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44、1.92和0.09。

覆冰導(dǎo)線所受空氣動(dòng)力載荷主要包括阻力FD，升力FL和扭矩FM，分別表示為

FD=ρU2LDCd/2

FL=ρU2LDCl/2

FM=ρU2LD2Cm/2

(4)

式中:Cd、Cl和Cm分別為阻力、升力和扭矩系數(shù)；U為風(fēng)速；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；D為導(dǎo)線直徑。

試驗(yàn)和數(shù)值模擬表明，覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)軌跡為斜橢圓，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)化方程可表示為

(5)

運(yùn)動(dòng)速度為

式(5)、(6)中ω為導(dǎo)線振動(dòng)的圓頻率；a為橢圓軌跡的半長(zhǎng)軸，b為半短軸；β為橢圓長(zhǎng)軸與y軸正方向的夾角。

導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)視為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，方程為

θ=Asin(ωθt)

(7)

角速度為

(8)

式(7)、(8)中A為扭轉(zhuǎn)幅值，ωθ為扭轉(zhuǎn)圓頻率。

2靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)分析

2.1計(jì)算模型

以新月形覆冰導(dǎo)線為研究對(duì)象，截面形狀如圖1，根據(jù)文獻(xiàn)[8]風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，選取導(dǎo)線直徑D為33 mm，覆冰厚度H為14 mm，風(fēng)速為12 m/s，分別計(jì)算了不同攻角下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)。

建立計(jì)算模型時(shí)，為了使尾流能充分發(fā)展，減小邊界對(duì)流場(chǎng)計(jì)算的影響，靜態(tài)模擬時(shí)計(jì)算域[9]取為-15D≤x≤40D，-15D≤y≤15D，坐標(biāo)原點(diǎn)位于導(dǎo)線的中心，采用分塊非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格14萬(wàn)，在覆冰導(dǎo)線所在的中心區(qū)域局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，計(jì)算步長(zhǎng)0.05 s，共計(jì)算50 s。

圖1 60°攻角下新月形覆冰導(dǎo)線Fig.1Thecrescenticedtransmissionlineat60°attackangle圖2 動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.2Schematicdiagramofdynamiccalculationarea

動(dòng)態(tài)模擬時(shí)計(jì)算域[9]取為-55D≤x≤60D，-40D≤y≤40D，坐標(biāo)原點(diǎn)為初始時(shí)刻的導(dǎo)線中心，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，覆冰導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)區(qū)域定義為動(dòng)網(wǎng)格，該部分網(wǎng)格隨覆冰導(dǎo)線截面的運(yùn)動(dòng)而變化，用彈簧光順法和尺度函數(shù)修改網(wǎng)格形狀及尺度，總網(wǎng)格14萬(wàn)左右，在覆冰導(dǎo)線所在的中心及動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，圖2為動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域示意圖。

靜、動(dòng)態(tài)模擬采用相同邊界條件，入口為速度入口，出口為壓力出口，上、下兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件，覆冰導(dǎo)線的表面為壁面。湍流模型均采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能以及湍動(dòng)能耗散率方程均采用二階精度離散格式。

根據(jù)式(5)、(6)利用VC++編寫用戶自定義函數(shù)控制導(dǎo)線舞動(dòng)的軌跡及速度。導(dǎo)線舞動(dòng)的振幅和頻率參考文獻(xiàn)[10]選取，檔距為126 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的a=1.03 m，b=0.43 m，β=30°，頻率f=0.5 Hz，按逆時(shí)針方向舞動(dòng)，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 s，共計(jì)算了38 s，19個(gè)周期。

2.2計(jì)算結(jié)果

圖3　靜、動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)比較 Fig.3 Comparison with the aerodynamic coefficients of static and dynamic

圖3(a)~(c)為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[8]的比較圖，可以看出靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)與試驗(yàn)值較為吻合，動(dòng)、靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)具有相同的變化規(guī)律。動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)在每個(gè)攻角下均大于靜態(tài)值0.2~0.3(增加14%~25%)；動(dòng)態(tài)升力系數(shù)大于靜態(tài)值0.1~0.2(增加35%~1倍)，動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)系數(shù)與靜態(tài)值較接近，在曲線兩個(gè)尖峰處差別較大，約為10%。

動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)隨時(shí)間和位置變化，圖3(d)為60°攻角時(shí)靜、動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨時(shí)間變化曲線，由于導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)扭轉(zhuǎn)中心隨時(shí)間變化，計(jì)算時(shí)每個(gè)舞動(dòng)周期選取10個(gè)位置，隨時(shí)更新扭轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)，記錄和讀取相應(yīng)的扭矩系數(shù)，然后取平均值，因此文中未給出動(dòng)態(tài)扭矩系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(以下同)。動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)和升力系數(shù)的振動(dòng)頻率均為0.5Hz，與導(dǎo)線舞動(dòng)頻率相同。

2.3結(jié)果分析

以攻角60°為例進(jìn)行分析，圖4為靜態(tài)及動(dòng)態(tài)導(dǎo)線一個(gè)周期內(nèi)不同位置時(shí)網(wǎng)格、速度與壓力云圖，圖5為靜、動(dòng)態(tài)導(dǎo)線周邊壓力系數(shù)分布圖，橫坐標(biāo)起點(diǎn)A從圖中導(dǎo)線的A點(diǎn)位置開始，按逆時(shí)針方向沿導(dǎo)線表面周向長(zhǎng)度計(jì)算，B、C點(diǎn)的位置也與導(dǎo)線上的位置相對(duì)應(yīng)。

圖4　靜、動(dòng)態(tài)網(wǎng)格、速度與壓力云圖 Fig.4 Distributions of mesh, velocity and pressure in static and dynamic simulation

與靜態(tài)時(shí)相比(圖4(a)及圖5中的靜態(tài)曲線)，導(dǎo)線自下而上運(yùn)動(dòng)時(shí)(對(duì)應(yīng)圖4(b)、(e)及圖5中t=3.9 s和t=4.8 s的曲線)，水平振動(dòng)速度方向與來流速度方向相反，合成后使速度減小，駐點(diǎn)壓力增加，分離點(diǎn)向覆冰一側(cè)前移，背風(fēng)面壓力降低，致使阻力增加；垂直方向振動(dòng)使頂部速度增加，負(fù)壓增大，底部負(fù)壓減小，使升力增大。

導(dǎo)線自上而下運(yùn)動(dòng)時(shí)(對(duì)應(yīng)圖4 (c)、(d) 及圖5中t=4.2 s和t=4.5 s的曲線)，水平振動(dòng)速度方向與來流速度方向一致，合成后使速度增大，駐點(diǎn)壓力減小，且位置下移，底部分離點(diǎn)后移，但覆冰側(cè)的分離點(diǎn)基本沒變，背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)的壓力仍比靜態(tài)時(shí)小，因此阻力變化不明顯；垂直方向振動(dòng)使底部速度增加，壓力減小，由于底部形狀為圓弧，底部負(fù)壓區(qū)域減小，頂部負(fù)壓區(qū)域增大，升力略有增加。

圖5　靜、動(dòng)態(tài)壓力系數(shù)分布的比較 Fig.5 Comparison with pressure coefficients distribution

3參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)的影響

3.1舞動(dòng)幅值及頻率的影響

覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)是一種低頻、大振幅的自激振動(dòng)，其振動(dòng)頻率通常為0.1 Hz～3 Hz，振幅約為導(dǎo)線直徑的5倍～300倍[11]。為研究振幅和頻率對(duì)氣動(dòng)力的影響，模擬中選取振幅在0.06 m～2.86 m之間(對(duì)應(yīng)幅值與導(dǎo)線直徑比δ為2.2~104)，每增加0.4 m為一計(jì)算工況，舞動(dòng)頻率在0.2 Hz～1.2 Hz之間選7個(gè)頻率工況，共計(jì)56個(gè)計(jì)算工況。定義振幅為橢圓長(zhǎng)軸，長(zhǎng)軸與短軸之比為2.4，長(zhǎng)軸與y軸正方向夾角β為30°，不考慮導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)的影響。風(fēng)速18 m/s，導(dǎo)線直徑27.6 mm，覆冰厚度12 mm，攻角為60°。

圖6給出了舞動(dòng)幅值及舞動(dòng)頻率變化對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)影響的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯悍翟黾訒r(shí)，阻力系數(shù)和升力系數(shù)均方值均顯著增加；扭轉(zhuǎn)系數(shù)則呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，數(shù)值在0.1~0.14之間變化。幅值較低時(shí)，頻率增加對(duì)三個(gè)系數(shù)影響不明顯，幅值超過1.66m(δ為60)時(shí)，阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨頻率的增大而增加，扭轉(zhuǎn)系數(shù)也有增加的趨勢(shì)，但數(shù)值增加較前兩者要小。

頻率為1.2 Hz時(shí)，振幅由0.06 m增至2.86 m(δ從2.2~104)時(shí)，阻力系數(shù)增加48%，升力系數(shù)增加4.2倍，扭轉(zhuǎn)系數(shù)增加22%，由此可知振幅對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)具有顯著影響。

圖6　舞動(dòng)幅值和頻率對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)的影響 Fig.6 Galloping amplitude and frequency effects on dynamic aerodynamic coefficients

大檔距導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的幅值遠(yuǎn)大于小檔距線路，且此時(shí)是假設(shè)兩者具有相同的氣動(dòng)系數(shù)，由此可知大幅值舞動(dòng)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)系數(shù)的顯著增加使得大檔距導(dǎo)線實(shí)際舞動(dòng)的幅值遠(yuǎn)大于依照靜態(tài)氣動(dòng)系數(shù)計(jì)算得到的幅值，且導(dǎo)線實(shí)際承受的動(dòng)態(tài)張力及其作用在輸電塔上的力遠(yuǎn)大于由靜態(tài)計(jì)算給出的結(jié)果。同時(shí)輸電線張力的增加改變了輸電線的剛度，剛度的增加使得系統(tǒng)的瞬時(shí)固有頻率增大[12]，阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨頻率的增大而增加，如此也將使氣動(dòng)力增加。

因此采用靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)預(yù)測(cè)大檔距舞動(dòng)引起的斷線的臨界風(fēng)速和塔承受的荷載，其結(jié)果不安全，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)舞動(dòng)的影響。

3.2扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響

在3.1節(jié)模型基礎(chǔ)上，導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)同時(shí)考慮橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)根據(jù)公式(7)、(8)定義扭轉(zhuǎn)角及角速度。由于覆冰導(dǎo)線實(shí)際舞動(dòng)時(shí)扭轉(zhuǎn)角很小[13]，選取扭轉(zhuǎn)的幅值為±10°，扭轉(zhuǎn)頻率為0.5 Hz，導(dǎo)線橫向振動(dòng)頻率也選為0.5 Hz，初始攻角為60°，振動(dòng)幅值a=230 mm。

圖7　考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)阻力、升力系數(shù)曲線及FFT Fig.7 The time history curves and FFT of drag and lift coefficients considering torsion

圖8　靜態(tài)、考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)網(wǎng)格、速度與壓力云圖 Fig.8 Distributions of mesh, velocity and pressure in static and torsion

圖7為阻力和升力系數(shù)隨時(shí)間變化曲線及對(duì)應(yīng)的FFT圖，可以看出：一個(gè)周期內(nèi)攻角從60°→50°→60° →70°→60°變化，阻力系數(shù)按減小→增加→減小的趨勢(shì)變化，主頻率為1Hz，是橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率的2倍，平均值為1.52，靜態(tài)為1.51，二者接近；升力系數(shù)則按增加→減小→增加的趨勢(shì)變化，頻率為0.5Hz，與橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率相同，平均值近似為0，為說明脈動(dòng)影響，計(jì)算出均方根值為0.24，靜態(tài)值為-0.19。

圖8(a)為靜態(tài)網(wǎng)格、速度及壓力云圖，圖8(b)~(e)為考慮橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)4個(gè)不同位置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格、速度及壓力云圖。導(dǎo)線橫向振動(dòng)的同時(shí)有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其流場(chǎng)非常復(fù)雜，流速和壓力分布隨時(shí)間的變化受導(dǎo)線位置和攻角的共同影響，攻角相同時(shí)，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)不同位置時(shí)的分布也不相同，如圖8(a)、(c)和(e)，攻角均為60°。

圖9為導(dǎo)線僅橫向振動(dòng)和考慮橫向及扭轉(zhuǎn)時(shí)的氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比圖。可以看出：兩種情況下，阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨舞動(dòng)幅值增加而增大的變化規(guī)律相同。與僅考慮橫向振動(dòng)相比，考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)的阻力系數(shù)略小，數(shù)值相差小于0.05(5%)，但阻力系數(shù)的振動(dòng)頻率發(fā)生改變；升力系數(shù)均方值則有所增加，最大相差0.1(20%)；扭轉(zhuǎn)系數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，數(shù)值相差小于0.05(9%)，因此在本文研究的范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)有一定的影響。

4結(jié)論

利用Fluent軟件二次開發(fā)的UDF編程和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)覆冰導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：

(1)新月形覆冰導(dǎo)線橫向振動(dòng)下的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)大于靜態(tài)值，二者具有相同的變化規(guī)律；

(2)相同攻角和風(fēng)速下，阻力、升力系數(shù)隨舞動(dòng)幅值增加明顯增大，特別是升力系數(shù)成倍增大；振動(dòng)頻率增加時(shí)，氣動(dòng)力系數(shù)隨之增大；但頻率對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力的影響小于幅值的影響；

(3)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)的大小有一定影響，同時(shí)使動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)的振動(dòng)頻率發(fā)生改變。

圖9　考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)與橫向舞動(dòng)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比 Fig.9 Comparison with the aerodynamic coefficients of the torsion and lateral galloping

(4)工程采用靜態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)預(yù)測(cè)大檔距舞動(dòng)引起的斷線的臨界風(fēng)速和塔承受的荷載，其結(jié)果不安全，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)舞動(dòng)的影響。

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