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覆冰导线气动特性和舞动的数值模拟

周焕林  朱利媛  牛忠荣  
【摘要】:输电导线舞动是导线不均匀覆冰以后,横断面形状发生改变,从标准圆形截面变成了不规则断面,具有翼型的某些特征,在一定的风速和攻角条件下,产生非线性气动力而使导线作低频(约为0.1~3Hz)、大振幅(约为导线直径的5~300倍)的振动现象。就其性质而言,这种振动属于驰振(Galloping),由于其形态上下翻飞,形如龙舞,也称舞动(Dancing)。导线舞动多发生在寒冬季节偏心覆冰的输电线上,舞动发生时导线的垂直振幅大,同时伴有摆动,而且持续时间长,一般可达数小时,以至容易引起相间碰线闪弧、金具损坏,造成线路跳闸停电或引起杆塔倒塌和导线烧伤折断等严重事故,对高压输电线路造成极大的破坏作用,严重时可以导致大面积电力供应瘫痪,造成重大的经济损失和社会影响。因此,覆冰导线舞动已经成为输电线路,尤其是超高压、大跨越线路的重大灾害之一。由于输电导线特殊的形态及舞动时振幅大的特点,导致该问题表现出很强的非线性;因风速变化及覆冰状况的随机性,采用确定性模型通常无法全面模拟舞动过程;同时,舞动具有地区性和特殊气象条件的特点,不同的线路可能会出现不同的舞动形态,而同一线路在不同的时候,不同的气象条件下,也可能产生不同的舞动形态。要从理论上和实践上彻底解决舞动问题,还需要进行大量的工作。目前国内外通过风洞试验和现场模拟对导线舞动的形成因素、舞动机理、防舞措施及杆塔强度设计等方面进行了大量研究。对导线舞动的研究涉及空气动力、悬索振动、气固耦合、气象研究等方面,具有重大的学术与工程价值。关于舞动机理国内外学者进行了大量的试验和理论研究。提出了以DenHartog机理、O.Nigol机理以及惯性耦合激发机理等为代表的一系列舞动激发理论模型,这些机理从不同角度阐述了舞动发生的原因。随着计算机技术的迅速发展,为导线舞动的研究提供了新的思路和方法。本论文从覆冰导线的气动力特性入手,利用流体计算软件FLUENT对覆冰导线绕流模型的流场进行研究。通过数值模拟计算有覆冰和无覆冰的导线模型在各种不同攻角下的升力系数、阻力系数,研究其变化规律,并探讨了风速、攻角等对舞动的影响。同时进行了导线舞动的模态和瞬态动力学分析,给出覆冰导线模型的五阶特征值并绘制结构中某些特殊点的位移响应曲线。提出了导线舞动研究中尚待解决的问题和进一步研究的方向。

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