覆冰三分裂导线气动力特性的数值模拟

采用有限体积法和SIMPLEC算法,求解雷诺数在亚临界区内的均匀黏性不可压缩流体的N-S方程,对风吹过平行布置的覆冰三分裂导线的气动力特性进行计算流体动力学（CFD）数值模拟.为克服数值模拟在高雷诺数下的数值不稳定性,在求解N-S方程时采用QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度.针对新月形和扇形2种典型覆冰三分裂导线,分析平行布置的三分裂导线各子导线尾流间的相互作用及其对气动力特性的影响.计算结果表明,新月形覆冰导线比扇形覆冰导线舞动的风攻角范围大,但前者的舞动振幅小于后者;分裂导线中处于尾流区的子导线的气动力系数均小于迎风面子导线的气动力系数,且扇形覆冰导线比新月形覆冰导线更为显著.     

覆冰四分裂导线动态气动力特性分析

为研究覆冰分裂导线舞动时的气动力特性,基于Fluent软件的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.计算了新月形覆冰四分裂导线横向振动时的动态气动力系数,并与静态模拟结果进行比较;分析了舞动幅值和频率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;舞动时,迎风侧子导线尾流偏移,对背风侧子导线的影响减小,使背风侧子导线的动态气动力系数比静态时明显增加;阻力、升力系数随舞动幅值和频率的增加而增大,但频率对动态气动力的影响小于幅值的影响;工程中预测大档距导线舞动引起的断线临界风速和塔承受的荷载时,应考虑动态气动力系数对舞动的影响.     

正弦风场新月形覆冰导线动态气动力特性

为研究脉动风场对覆冰导线动态气动力特性的影响,利用Fluent软件的用户自定义函数和动网格技术,计算了正弦风场下新月形覆冰导线在垂直振动与扭转振动耦合下的动态气动力系数,并与相同舞动条件下定常风场模拟结果进行比较;分析了来流速度脉动频率和幅值对气动力的影响.结果发现:覆冰导线在正弦风场作用下的动态气动力系数平均值略高于定常风场下动态气动力的数值;脉动风频率对阻力系数和升力系数的平均值影响较小;脉动风幅值增加会导致动态气动力系数的平均值增大.因此工程中进行输电线路防舞设计时,应考虑脉动风场幅值对气动力系数的影响.     

覆冰输电导线气动力特性模拟的合理模型

对覆冰导线风洞试验的数值模拟和参数分析是获取气动参数的主要手段。进行了覆冰输电线气动参数数值模拟的几何建模、网格划分、边界条件的选取、湍流模型的选取、求解参数设置等分析研究。明确了加密区首层厚度、层数、厚度、形状及加密条带等对计算结果的影响,得到了合适的网格模型。对k-ε湍流模型、k-ω湍流模型、Realizable k-ε湍流模型、Reynolds应力湍流模型及SST k-ω湍流模型的分析,表明k-ω模型虽然能较好地模拟覆冰输电线的气动力特性,但是对参数比较敏感。k-ε湍流模型的是模拟覆冰输电线气动参数的最合理模型。     

光圆与非光圆绞突覆冰输电导线气动力特性分析

现有针对覆冰输电导线风致振动的模拟研究大多是将导线简化为理想光圆截面考虑其气动力特性的,对于实际导线绞突的截面特点考虑不足。采用Fluent软件研究覆冰光圆与非光圆绞突截面导线的气动力特性,分析二者气动力系数在不同风速、覆冰厚度、覆冰形状和导线直径时的特点和差异。结果表明：两种截面覆冰导线气动力系数差异较大,其中,阻力系数和扭转系数最大相对偏差可达100%,升力系数最大相对偏差可达-175%。采用非光圆绞突截面导线会增加周期内涡脱落的数量,使其波动更加剧烈。覆冰为新月形时,采用光圆截面导线会低估导线顺风向位移,高估横风向位移;覆冰为D形时,采用光圆截面导线比非光圆绞突截面导线下波动较为平缓且更有规律,会高估顺风向位移,低估横风向位移。鉴于两种截面覆冰导线在气动力、涡脱图和位移响应均存在较大差异,覆冰输电线系统精细化抗风设计时应考虑导线截面绞突特性对其气动力的影响。     

基于索单元的覆冰输电导线动力特性研究

采用三节点索单元研究了输电导线的动力特性问题。基于三节点索单元建立了坐标系,进一步建立了输电导线的弹性刚度矩阵、初位移刚度矩阵和初应力刚度并形成了导线的非线性总刚度矩阵。在此基础上建立了一致质量矩阵并建立了基于三节点索单元的输电导线动力特性计算方法。以某实际小垂度输电导线为工程背景,系统研究了覆冰作用下其动力特性的特点和规律。结果表明:覆冰厚度和导线跨度的增加均将导致导线质量的增加,从而显著影响输电导线的自振频率,但覆冰厚度和导线跨度的增加并不会改变导线的振型形状。     

输电导线扰流防舞器气动力特性风洞试验研究

为了研究扰流防舞器的防舞效果及扰流防舞器直径对防舞效果的影响,分别对新月形覆冰输电导线、安装扰流防舞器的无覆冰输电导线及安装3种不同直径的扰流防舞器的新月形覆冰输电导线,进行刚性足尺截断模型天平测力风洞试验.测定各种工况对应的气动力系数曲线,通过对邓哈托系数和尼戈尔系数的分析,研究不同直径的扰流防舞器的防舞效果.试验结果表明：新月形覆冰导线会发生舞动;扰流防舞器不会使导线无覆冰时发生横风向舞动,使导线发生扭转舞动的可能性不大;不同直径的扰流防舞器均具有一定的防舞效果,其中直径为0.75倍导线直径的扰流防舞器的防舞效果最佳.     

考虑时变气象参数的输电导线覆冰数值仿真

近年来输电线路覆冰灾害频发,给电网运行带来了极大威胁。现有研究大多未考虑时变气象条件对导线覆冰所产生的影响。为对线覆冰增长情况进行有效预测,给输电线路融冰除冰和舞动预警提供重要参考。本文基于导线覆冰机理和欧拉气液两相流模型,提出了考虑时变气象参数时变影响下的输电线路导线覆冰数值仿真方法。在此基础上建立了基于FLUENT和FENSAP-ICE软件的导线覆冰增长数值模拟框架,利用三维仿真模型,研究了温度、风速、空气中的液态水含量、水滴中值体积直径等时变气象参数和导线直径等因素对输电线路导线覆冰质量及覆冰形状的影响,结果表明导线覆冰形状受风速、过冷却水滴中值体积直径、空气中的液态含水量和导线直径影响较大,受温度影响较小。最终利用真实输电线路现场覆冰监测数据以及相应的气象数据对仿真计算方法的有效性进行了验证。预测结果与输电线路覆冰监测结果吻合度较好,考虑时变气象参数的方法比不考虑时变参数的方法更能有效地预测导线实时覆冰形状和质量,表明本文提出的导线覆冰仿真方法具有较好的精度。     

新型低阻导线气动特性数值模拟

采用流体力学计算软件FLUENT6．3,对新型低阻导线LP810导线进行雷诺数76000时气动力特性以及流场的数值模拟。计算采用有限体积法和SIMPLEC算法求解均匀黏性不可压缩流体的NaV1er—St0keS方程（N—S方程）,采用三阶精度二次迎风插值（OUICK）离散N—S方程,以降低求解过程的数值振荡。计算区域网格划分采用具有良好形状适应性的非结构化三角形网格,贴壁网格尺寸取为约0．0005倍的导线直径,网格尺寸在导线周围直径4倍于导线直径的圆形加密区内沿半径方向按照1．009的比例增大。计算结果表明,计算方法具有良好的计算精度,与试验结果吻合较好。新型低阻导线LP810导线的特殊截面设计,使得导线在高雷诺数时的分离点显著推后,降低了在高雷诺数时的阻力系数。     

基于蒙特卡洛方法的覆冰导线舞动跳闸概率计算

架空导线的覆冰舞动是导致线路跳闸的重要因素,严重威胁着电力系统运行的安全性与稳定性,如何科学合理地根据气象信息来计算架空导线的覆冰舞动跳闸概率成为亟待解决的问题。为计算输电线路在冰冻气象下发生舞动所致的短路跳闸概率,首先收集冰冻气象区域的风速、冻雨量、温度及湿度等信息,采用Weibull分布拟合风速的概率密度分布函数并计算导线覆冰厚度;其次,基于牛顿法建立覆冰导线单自由度舞动模型,采用里茨—伽辽金法求得幅值解析表达式,使用该表达式结合风速的概率分布与覆冰厚度求得舞动幅值越限的概率分布函数;然后,通过分析三相导线发生非同步舞动时的相位关系,得到了某一舞动幅值下发生跳闸的概率;最后,利用蒙特卡洛方法模拟覆冰导线舞动跳闸的过程,得到了舞动越限跳闸概率的统计值。算例结果表明,该方法能由气象预报获得的气象信息对未来时段的舞动跳闸概率做出准确计算。     

轿车外形参数对空气动力特性参数的影响

通过改变红旗ＣＡ７７４轿车的外形，解决了在满足功能要求及相关法规要求的前提下降低气动阻力的几个问题，为进行车身外形参数对空气动力特性参数影响的研究提供了依据。     

Aerodynamic coefficient of vehicle-bridge system by wind tunnel test

The changes of three components of aerodynamic force were discussed with the attack angle conversion for three kinds of section models. Based on the project of Shanghai Yangtze River Bridge, the wind tunnel test was conducted to obtain its three components of aerodynamic force including 75 conditions of the construction stage, the bridge without vehicles and the bridge with vehicles from - 12 degrees to ＋ 12 degrees. For the bridge with vehicles, the drag force coefficient and the absolute value of both lift coefficient and moment coefficient were decreased by the vehicles. The test resuh shows that the bridge railing and vehicles have much influence on the three components of aerodynamic force of the vehicle-bridge system for Shanghai Yangtze River Bridge.     

高速铁路桥梁-列车系统的横风气动特性研究综述

本文主要综述了中南大学工程研究中心在桥梁-列车系统横风气动特性研究领域的重要成果. 首先, 从流体力学的角度分析了列车周围的流场特性, 从而揭示了目前高速列车横风气动力评估方法的主要误差来源. 然后, 介绍了现场实测, 数值模拟, 动、静模型风洞实验等四种列车气动力评估方法及其优缺点. 同时介绍了中南大学风工程研究中心最新开发的列车-线路系统动模型实验装置. 为深化研究桥梁和列车之间的气动干扰规律. 本文首先详细论述了与桥梁-列车系统横风气动特性相关的基础研究成果, 主要包括既有高速铁路桥梁特征几何参数的统计结果, 简化列车的气动特性, 以及大跨度扁平箱梁和桁架主梁的气动特性. 在上述研究的基础上, 重点讨论了扁平箱梁和桁架主梁与列车之间的气动干扰规律. 最后, 对中南大学风工程研究中心开发的可调风向和透风率的新型风屏障及其相关研究结果进行了详细介绍.     

邻近高耸建筑对小区风环境的影响试验研究

风环境是评价人居生活质量好坏的重要指标,随着国民经济的快速发展,越来越多的高耸楼宇应运而生,这些楼宇会较大程度地改变已有小区的风环境,给小区居民正常生活带来困扰,而当前对该问题的针对性研究还十分匮乏。以长沙通用时代国际社区为研究背景,利用大尺度风洞（10 m×3 m×21 m）对新增高耸建筑后的小区风环境进行了全方位、多工况试验研究,并基于超越概率法对有无新增高耸建筑小区风环境舒适度与危险度进行定量评估。结果表明：城市小区平均风剖面与湍流度剖面指数值要远高于规范值,表明城市小区具有较大的地表粗糙度。新增高耸建筑会显著改变其邻近区域风环境,如高耸建筑对通用时代小区100、200、300 m范围内平均风速分别造成了25%、6%和2%的加速作用,在增加高耸建筑后小区风环境舒适度与危险度超越概率最大值分别增加了2倍和6倍。     

大跨协作体系桥梁吊跨比对主梁涡振性能的影响

为研究斜拉-悬索协作体系中不同吊跨比对主梁涡振性能的影响,以某斜拉-悬索协作体系桥梁为工程背景,首先,开展了节段模型风洞试验,采用增长共振法获取桥梁断面涡激振动过程中的发展时程与稳态振幅;其次,基于考虑跨向振幅依存性的非线性涡激力模型,对节段模型振动位移时程进行希尔伯特变换识别得到主梁截面的气动阻尼随无量纲振幅变化的关系曲线;最后,计算了8种不同吊跨比备选方案的主梁涡振振幅,明确了大桥从斜拉体系逐渐过渡到悬索体系时主梁涡振的变化规律,提出了一种综合考虑涡振幅值和跨向影响范围的辅助性指标对结果进行评价和对比.结果表明:随着吊跨比增加,基频降低,对应的1阶竖弯模态振型不断变宽;随着吊跨比的增加,跨中涡振幅值不断减小,不同吊跨比下跨中涡振幅值差异约11.1％,同时主梁起振风速有所下降;结合主梁涡振幅值指标η*和主梁加速度指标a*对不同吊跨比下大桥的涡振程度进行综合比较,发现随着吊跨比的增加,虽然跨中涡振幅值不断减小,但主梁的涡振影响范围不断加宽,主梁整体涡振程度显著增加,不同吊跨比下η*差异约59.5％.吊跨比对主梁平均加速度a*影响有限.     

基于POD方法的非同步大跨屋盖结构风荷载研究

对某大跨度曲面屋盖结构分批进行了风洞试验,第1批测点定义为同步测点,第2批测点定义为非同步测点。根据POD方法采用前若干阶本征模态重建了屋盖的风压场。通过同步测点的风压场预测非同步测点的风压场,并将其与实测非同步风压场进行对比。结果表明,预测风压场与实测风压场吻合较好,说明POD方法在风压预测应用中是有效的。根据随机振动理论,通过风荷载相干函数分析,建立同步与非同步风荷载的相关性,从而提出一种考虑非同步风场的风荷载计算方法。     

基于风洞试验和CFD技术的桥梁抖振荷载研究

结合风洞试验与CFD(Computational Fluid Dynamics)技术提出了一种新方法。该法首先利用CFD确定桥梁表面压力分布及节段模型弹性中心的三分力系数,然后根据风洞试验结果采用最小二乘法确定桥梁节点力荷载。该方法克服了CFD模拟得到的三分力系数通常与风洞试验结果不符的缺点,给出了确定桥梁节点力荷载的有效途径。     

分离式三箱梁与列车间气动干扰效应对气动力系数及涡振性能的影响

为了研究列车与分离式三箱梁之间的气动干扰,进行了一系列风洞试验,重点研究了气动干扰对主梁和列车的三分力系数及主梁涡振性能的影响。采用列车和主梁的节段模型进行静力三分力测试和涡振试验。结果表明分离式三箱梁与列车之间存在显著的气动干扰效应。当单列车存在时,列车和主梁之间的相对水平位置对主梁的三分力系数影响不大。当双列车会车时,主梁的阻力系数较无列车和单列车时显著减小,且背风侧列车受到的气动力先突降后陡增,气动力的剧烈波动会引起列车的振动,对行车安全及舒适性不利。停靠在主梁上的列车对分离式三箱梁的涡振性能产生不利影响,会引起分离式三箱梁新的竖向涡振,且当列车位于迎风侧轨道上时,主梁扭转涡振振幅显著增加。     

风屏障对公铁同层桁架桥-列车系统气动特性的影响

公铁同层桁架桥内的列车所处风环境复杂,随着公铁同层桥梁桥面越来越宽,侧风作用下列车的安全问题越来越突出。为研究风屏障对公铁同层桁架桥-列车系统气动特性影响,对某大跨度公铁同层桁架悬索桥进行节段模型风洞试验,以30%透风率风屏障为例,测试了不同风屏障布置形式(单、双侧)、布置位置(内、外侧)和4种高度(2.5 m、3.0 m、3.5 m和4.0 m)条件下车桥系统气动特性。结果表明：下游内侧风屏障对车桥系统气动特性几乎无影响,但下游外侧风屏障会增大主梁阻力系数,同时减小列车升阻力系数,影响列车背风面负压区甚至列车其余各面风压;风屏障布置在外侧时对主梁阻力系数的影响大于风屏障布置在内侧时,对列车的遮挡效果也优于风屏障布置在内侧时;随着风屏障高度增加,主梁阻力系数逐渐增大,列车升阻力系数逐渐减小,但车桥气动力系数随风屏障的变化程度会因风屏障布置位置不同而略有不同;在该桁架桥外侧布置3.0 m高双侧风屏障时,主梁阻力系数仅增大12%,而列车阻力系数最大减小55%,风屏障防风效果较好。