覆冰导线气动特性及驰振风洞试验

利用风洞试验测量新月形和扇形覆冰导线在不同风速下的气动力特性,得到其阻力系数、升力系数和扭矩系数随风攻角的变化规律,结果表明在测试的风速范围内气动系数受风速的影响很小。在风洞中实现了覆冰导线节段模型的驰振模拟,得到不同风速下导线节段模型的驰振响应。进而用舞动数值模拟方法模拟驰振试验,得到与风洞试验一致的结果,验证了舞动数值模拟方法的正确性。试验结果为覆冰导线舞动研究提供了重要的参考数据。     

D形断面柱体驰振耦合气动力特性试验研究

覆冰导线驰振耦合气动力特性的研究是解释驰振机理的主要手段,也是开发气动抑振措施的主要依据。以常被作为模拟导线覆冰形状的D形断面为研究对象,采用静态气动力、驰振响应及耦合气动力测试风洞试验,研究分析了D形断面柱体的静态气动力特性,基于准定常假设的单自由度横风向驰振理论预测了驰振发生的风向角及临界风速,通过驰振响应及动态气动力分析,揭示D形断面驰振的气动力变化过程。结果表明:D形断面在来流与其直线侧夹角为40°左右时易发生横风向大幅振动;振动是由气流的分离状态随风向角变化引起的,其响应的主要气动力贡献也来自分离点后的尾流区域。这种对分离点的敏感表明,通过控制气流的分离点可以提供有效的抑制驰振措施。     

考虑摆动效应的覆冰导线两自由度驰振稳定性分析

该文推导了考虑覆冰导线摆动的水平竖向耦合两自由度驰振模型,结合覆冰导线模型高频天平测力试验结果,采用劳斯判据分析了基于导线自振特性的广义两自由度准椭圆形覆冰导线的驰振稳定性。分析结果表明:在进行准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析时,气动力系数需采用七阶以上多项式描述;导线摆动对稳定性分析影响较大,不考虑导线摆动影响分析得到的不稳定风向角范围偏小,临界风速偏大;提高结构阻尼可以有效的提高驰振临界风速。最后得到了准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析的一般结论。     

冰棱对三维覆冰导线气动力特性影响研究

为了研究冰棱对覆冰导线气动力及驰振稳定性的影响。应用FLUENT中的SST k-w湍流模型对三维五冰棱覆冰导线绕流场进行数值模拟分析,将三维五冰棱覆冰导线模型沿展向方向分为5个节段,监控全攻角下节段3的阻力系数、升力系数,并分析不同风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等对气动力参数产生的影响,根据Den Hartog理论计算得到驰振力系数,并判定覆冰导线的振稳定性。结果表明:冰棱覆冰导线形态对覆冰导线流体绕流特性有极大的影响,其绕流场呈现明显的周期性;冰棱覆冰导线气动力参数受风攻角影响较大,阻力系数最大值与最小值相差2.55,升力系数最大值与最小值相差5.83;风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等因素对冰棱覆冰导线气动力参数影响有限;覆冰导线部分驰振力系数小于零(<0),冰棱覆冰导线处于非稳定状态,冰棱覆冰导线出现驰振舞动概率极大。     

覆冰斜拉索驰振稳定性的理论研究

覆冰斜拉索可能会发生驰振振动并影响到斜拉桥的安全。在进行风洞试验对6种覆冰拉索模型测力的基础上,推导了覆冰拉索1阶模态驰振的运动微分方程,并采用龙格-库塔法进行求解,得到了拉索的驰振响应规律。以海南洋浦大桥为工程背景,研究了中跨最长拉索M18的驰振临界风速,研究了覆冰长度、拉索阻尼比等对驰振临界风速的影响。结果表明,在新月形、扇形和D形覆冰条件下,中跨最长拉索M18的驰振临界风速在10-15m/s范围内,远小于基本风速,存在发生驰振可能性;随着阻尼比的增加、覆冰长度的变短以及拉索长度的变短,驰振临界风速增加。     

格构式塔架风力特性试验研究

摘 要 本文应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。
     

风偏角对方形断面结构驰振不稳定性影响

方形断面的细长结构广泛的应用在工程领域,其在特定风向角和特定的风速范围下会发生具有较大危害性的驰振,目前斜置或者斜风向作用下的细长方柱驰振不稳定性的规律尚不清楚。采用刚性模型测压风洞试验,通过对斜置方柱气动力的分析,讨论了风偏角对方柱气动力的影响,基于准定常假设,分析了考虑风偏角的方柱驰振不稳定性。结果表明:方形断面是典型的驰振不稳定断面形状;随着来流与柱体轴向夹角的变小,方形断面的驰振不稳定区域增大,斜风向下的方柱更容易发生驰振,需要在类似结构抗风设计中引起重视。     

三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析

斜拉索偏心覆冰后,气动外形不再稳定,在风的作用下,可能诱发驰振。大幅的驰振将威胁到拉索结构的安全,因此,有必要对覆冰拉索的驰振稳定性进行深入的研究。应用FLUENT中的SST k-ω模型对三维覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟,得到全攻角下的阻力系数、升力系数及驰振力系数,依此判定覆冰斜拉索是否发生驰振,并得到某大跨斜拉桥部分斜拉索的驰振临界风速。结果表明：经过三维模拟计算的覆冰拉索的部分驰振力系数小于零,并且驰振临界风速较小,斜拉索易发生覆冰驰振;与风洞试验和二维模拟数据比较,三维覆冰斜拉索模拟获得的气动力系数比二维更接近试验值。     

广州西塔气动荷载特性及风致响应研究

摘 要：以432米高的广州西塔的刚性模型多点同步测压风洞试验为背景,研究该超高层建筑结构气动荷载的竖向相干特性,采用相干函数方法(CFM)计算并替代气动力谱矩阵的互谱密度进行风致响应计算。结果显示,当经验指数式相干函数的指数衰减因子取6~8时,顺风向响应与精确结果较吻合,但在横风向上差别则比较明显。文中进一步计算了结构参振模态数目对西塔风振响应计算结果的影响,结果表明：忽略高阶模态对结构顺风向的层间位移角响应的影响较大、最大可产生9%的误差,但对结构横风向响应影响则很小,这意味着西塔风振响应仍由基阶模态控制。文中针对超高层建筑横风向响应估算的可行方法进行了讨论和建议。     

随机风场中覆冰四分裂导线舞动数值模拟

摘 要: 采用数值方法研究覆冰四分裂输电导线在随机风场中的舞动问题。考虑风速随高度的变化和空间相关性,数值模拟得到随机风场,并利用典型覆冰四分裂导线空气动力系数随攻角的变化,确定作用于覆冰导线上的空气动力载荷,模拟研究不同档距覆冰四分裂导线的舞动。结果表明,随机风场中小档距导线的舞动模式与稳定风情况一致,而大档距时则不同,可能出现更高阶的舞动模式。因此,在研究大档距覆冰导线舞动时,考虑风场随机性是必要的。     

覆冰导线动态气动力特性模拟与分析

为研究覆冰导线舞动时气动力的特性,从弱耦合角度出发,基于流体动力学仿真软件Fluent二次开发,利用用户自定义函数对导线的舞动轨迹进行编程并结合动网格技术实现流固耦合。计算了新月形覆冰导线在横向振动下的气动力系数,并与静态模拟结果和试验结果进行比较;分析了舞动幅值、频率和扭转振动对动态气动力的影响。结果表明：相同风速下,动态气动力系数大于静态值,二者具有相同的变化规律;阻力、升力系数随舞动幅值增大显著增加,特别是升力系数成倍增加;振动频率增加,也使动态气动力系数增大,但频率对动态气动力的影响小于幅值的影响;扭转振动对动态气动力有一定的影响。工程中采用静态气动力系数预测大档距舞动引起的断线的临界风速和塔承受的荷载,其结果不安全,应考虑动态气动力系数对舞动的影响。     

覆冰输电线路舞动气动阻尼识别

利用覆冰导线刚性节段模型外加弹簧及配重模拟覆冰输电线路竖向及扭转运动动力特性,制作了D形覆冰单导线、新月形覆冰单导线和分裂导线竖向-扭转二自由度气弹模型,通过调整模型竖向/扭转自振频率比及风速、风攻角,于风洞中激发了D形覆冰单导线气弹模型的纯竖向和竖扭耦合失稳舞动,以及新月形覆冰分裂导线气弹模型的竖扭耦合舞动,并记录了其响应时程,通过Hilbert变换进行了竖向舞动和扭转气动阻尼的识别,研究了风速、风攻角、竖扭频率比、覆冰断面、导线数量及布置形式对气动阻尼的影响。对D形覆冰导线纯竖向舞动时根据响应识别所得气动阻尼比与根据Den-Hartog机理计算所得理论气动阻尼比进行了比较。试验结果表明：舞动时气动阻尼比为负值,在试验风速范围内其绝对值随风速增长而增大;D形覆冰导线纯竖向舞动时识别所得气动阻尼比绝对值略小于理论气动阻尼比;导线分裂数量对气动阻尼具有影响;扭转响应对竖向舞动气动阻尼的影响则较为复杂。     

覆冰四分裂导线空气动力系数数值模拟

利用Fluent流体动力学分析软件计算典型覆冰四分裂导线在特定风速下的绕流问题,所得各覆冰子导线空气动力系数随风攻角变化曲线与由风洞试验所得规律一致。基于数值模拟和风洞试验所得气动系数确定的Den Hartog系数与Nigol系数随风攻角的变化结果吻合。利用由数值模拟和风洞试验获所得气动参数,采用Abaqus有限元软件模拟典型线路段的舞动,通过舞动特性分析比较发现,利用该两组气动系数模拟得到的导线舞动特性一致,表明采用数值模拟方法确定覆冰导线的空气动力系数可用于模拟覆冰导线舞动。