体型系数三篇

2024-09-12

体型系数篇1

关键词：分裂导线,阻力特性,体型系数,数值分析

0前言

导线在风荷载的激励下容易发生大幅低频舞动[1,2]。这种振动对线路的安全运行造成的危害十分严重,如线路频繁跳闸与停电、导线的磨损、烧伤与断线,金具的损坏等。导线舞动对输电线路的危害已引起人们的重视[3,4,5,6]。特高压输电线路一般采用六分裂和八分裂导线。在设计线路时如何合理地确定作用于导线上的风荷载具有十分重要的意义。体型系数的取值不当,可能导致作用于导地线上的风荷载计算值偏大,进而可能导致杆塔结构设计过于保守,由此产生的经济损失无容忽视。

目前关于多分裂导线的体型系数研究有风洞试验和数值仿真两种方法。本文采用计算流体动力学方法,利用GAMBIT对六分裂、八分裂导线进行几何建模、网格划分、边界条件设置,采用FLUENT分别对其进行湍流模型的选择、求解参数的设置、仿真计算,最终得到各子导线的体型系数,并与风洞试验结果进行对比。

1 计算流体动力学简介

计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)是采用计算机模拟技术,通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

2 湍流模型

Fluent软件中采用的湍流模型包括SpalartAllmaras模型、standard(标准)k-e模型、k-w模型、RSM模型(Reynolds Stress Model,雷诺应力模型)和LES模型(Large Eddy Simulation,大涡模拟)方法,其中LES只对三维模型有效[7,8]。

标准k-e模型稳定性好、经济性高,应用十分广泛。但此模型在非均匀湍流问题中的计算误差较大,因此又出现了几种改进的k-e模型,其中最为典型的是RNG k-e模型Realizable k-e模型。RNG k-e模型对发展较充分的湍流模型效果很好,但当雷诺数较低时或者计算近壁区的流动时必须使用壁面函数。Realizable k-e模型计算平面和圆形射流的扩散速度时结果更为精确,同时在计算旋转流、带方向压力梯度的边界层和分离流时,结果更符合真实情况,但在旋转和静止区的流场计算中会产生非物理湍流粘性。

k-w模型属于二方程模型,包括标准k-w模型和SST k-w模型。标准k-w模型考虑了低雷诺数的影响、可压缩性影响和剪切流扩散,在进行尾迹流动计算、混合层计算以及射流计算时效果很好。SST k-w模型中增加了横向耗散导数项,同时在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程,模型中使用的湍流常数也有所不同,这些特点使得SST k-w模型的适用范围更广。

S-A模型是单方程模型里最成功的的一个模型,在雷诺数较低时计算精度较好。本文即选用该模型。

3 多分裂导线体型系数仿真

3.1 六分裂导线体型系数仿真

采用GAMBIT软件对六分裂导线进行二维建模。六分裂导线直径D为23.94 mm,导线间距为375 mm,各子导线编号如图1所示。流体计算区域为1 800×1 200 mm2。将计算区域左边界设置为入口边界velosity-inlet,风速为12 m/s、18 m/s、30 m/s,右边界设置为出口边界outflow,上下边界设置为壁面边界wall。图2为六分裂导线速度矢量图,图3为各子导线阻力特性曲线,表1为不同风速下六分裂导线风压阻力系数数值模拟结果。

从图2可以看出,1、2、3号迎风侧子导线的尾流对4、5、6号背风侧子导线的流场影响显著,这种影响将导致背风侧子导线的阻力系数变小。

从图3可以看出,1、2、3号迎风侧子导线阻力系数变化趋势一致,4、5号背风侧子导线的阻力系数变化趋势一致,由对称性可知符合实际情况,且背风侧子导线的阻力系数明显小于迎风侧子导线的阻力系数。6号子导线由于距上游1号子导线较4、5号子导线距离上游2、3号子导线更远,所受上游尾流影响更小,所以阻力系数比4、5号子导线更高。随着风速增加,六分裂导线阻力系数的平均值随之减小。

3.2 八分裂导线体型系数仿真

八分裂导线直径18.25 mm,各子导线圆心的外接圆半径为500 mm,计算区域为2 000*1500 mm2,1、2、3号迎风侧子导线的尾流对6、7、8号背风侧子导线的流场影响显著,这种影响将导致背风侧子导线的阻力系数变小。1、2、3、4、5号迎风侧子导线阻力系数变化趋势一致,6、7号背风侧子导线的阻力系数变化趋势一致,由对称性可知符合实际情况,且背风侧子导线的阻力系数明显小于迎风侧子导线的阻力系数。8号子导线由于距上游1号子导线较6、7号子导线距离上游2、3号子导线更远,所受上游尾流影响更小,所以阻力系数比6、7号子导线更高。

八分裂导线阻力系数数值模拟结果和实验结果的误差为2.9%,说明数值模拟结果良好,证明了采用流体分析计算方法的有效性。为进一步研究不同风速对八分裂导线阻力系数的影响,随着风速增加,八分裂导线阻力系数的平均值随之减小。

4 结束语

通过六分裂、八分裂导线流体动力分析的结果验证了上游导线对下游导线的尾流屏蔽作用,与风洞实验结果的对照,验证了流体动力分析的有效性,然后采用Gambit软件建立了六分裂导线和八分裂导线的物理模型,采用Fluent流体分析软件对六分裂导线及八分裂导线进行了模拟,证明了以往导线体型系数取值偏于保守,为以后在设计线路时如何合理地确定作用于导线上的风荷载提供了重要的参考价值。

参考文献

[1]Nigol O,Buchan P G.Conductor galloping Part II-torsional mechanism[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,1981,PAS-100(5):708-720.

[2]Wang J W,Lilien J L.Overhead electrical transmission line galloping:a full multi-span 3-dof model,some applications and design recommendations[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1998,13(3):909-916.

[3]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社,2002:4-12.

[4]胡亮.基于特征正交分解的桥梁风场随机模拟[D].武汉:华中科技大学,2007.

[5]段晓平.送电线路导线舞动原因探讨[J].云南电力技术,2011,04:94-95.

[6]余云江.耐张塔中相导线风偏故障分析及改进[J].云南电力技术,2005,05:36+40.

[7]孔德怡,李黎,龙晓鸿,等.悬垂绝缘子串动态风偏角有限元分析[J].电力建设,2008,29(9):5-9.

[8]郑佳艳,严波,刘小会,等.悬垂绝缘子串动态风偏响应的数值模拟[J].重庆大学学报(自然科学版),2006,29(12):100-103,115.

体型系数篇2

【关键词】风载体型系数；风洞试验；建筑体型

通常风的形成和水平气压梯度力是有着一定的关系的，风吹动的方向是一般是从气压比较高的方向吹到气压比较低的方向，气压在遇到了结构的阻挡作用以后就会形成一个比较高的气压幕。房屋的外表会受到气流的影响，一般情况下我们将房屋表面所承受的风压和大气气流风压所产生的比值就叫做风载体型系数，土壤主要是对建筑表面在承受风压的情况下压力分布的具体规律，该系数的大小和很多因素都存在着一定的联系，但是最为明显的影响因素就是建筑自身的体形和尺寸，以及地面的粗糙系数，以下笔者就这一问题进行简要的分析和阐述。

1.国内外研究现状

1.1数值模拟法

在研究的过程中计算风工程方法中最为关键的一个环节就是计算流体动力学，当前支持CFD技术的软件也在不断的发展和创新，这些软件的出现也在很大程度上促进了CFD技术的进步，在应用的过程中，对建筑物四周的风流动过程中需要遵循的动力学方程对其进行求解，然后根据方程计算后所产生的数值建立一个数学模型，这样就可以对建筑物周围的风环境进行模拟和还原，这种方式在应用的过程中可以体现出非常大的优势，首先在建模的过程中不需要花费很长的时间，同时其经济性也相对较好，建模的过程中也形成了相对比较科学的资料，这样也为对象的分析带来了一定的便利，其次是可以建立和建筑物尺寸完全相同的模型，最大程度上还原真实的情况。最后是在模拟的过程中可以根据自身研究的需要对条件进行变更，同时在建筑的初步设计活动中已经是休闲了很好的应用效果。

国内的一些学者以高层的建筑群作为研究的物质基础，建立了一种新的模型来对其进行研究，对相关的参考数据进行了严格的计算，计算之后又进行了一定的研究和对比。模拟的最终结果表明，在雷诺数相等的情况下实验过程和实际的真实情况相差并不是很大，，如果在来流的风速和建筑的主轴方向呈现平行关系的时候，尾流中的旋流回涡数值和实验中的数值由比较大的差异，但是在平均风压的分布情况上来看，差别并不明显。

1.2风洞试验模拟法

目前对风工程的研究最常使用的就是实验室模拟，风洞试验在这一研究工作中发挥着十分重要的作用。这一试验方法可以非常有效的对工程结构的体形系数和风洞荷载进行详细的分析，在经过分析之后还要对其采取方便、安全、有效的设计方案。风洞试验在应用的过程中也可以体现出非常大的优势。在进行试验的过程中可以对试验的方法和条件进行人为的控制，同时在该试验当中所呈现的相关数据都是比较真实可靠的，该试验还真实的被应用在了工程实例中，同时也取得了比较好的效果，当然风洞试验也存在着一定的不足，在试验的过程中需要有大量的资金支持，同时完成试验也需要较长的时间。

1.3现场实测方法

这种方法是风工程研究当中最为直观也最为有效的一种方法，但是这种方法在建筑施工之前是无法应用的，所以在建筑设计的过程中，这种方法不能给设计人员提供一定的参考和借鉴，这种方法虽然可以最为直接的对风工程进行研究。但是其在实施的过程中需要有大量的人力、物力和财力的支持，所以也很少应用在研究工作当中。在研究的过程中将数值模拟和实验室模拟进行有机的结合可以使得整个风洞试验更具可靠性，同时还减少了成本，使得整个设计方案都得到了优化。

2.高层建筑体型设计与风载的关系

高层建筑的结构设计中往往水平荷载起决定性作用，随着建筑层数的增多與高度的增加，风荷载与地震作用更加成为结构设计的控制因素。而风荷载的强弱既取决于其自然特性，又与建筑的体型特征密切相关。

2.1高层建筑结构特征分析

在高层或超高层建筑设计中，首先应当考虑的是侧向刚度，而水平位移指标，即建筑顶端最大位移与建筑总高度之比，能准确判断建筑侧向刚度的参数，所以设计中严格规定了建立水平位移指标的限值。高层建筑所受风荷载呈倒三角形分布，其剪力则为正三角形分布，因此，其结构刚度宜为上小下大渐变分布。

2.2风效应

风的自然特性、结构动力特性以及风和结构间的相互作用会制约风对结构的影响，从工程抗风设计的角度来看，可分别考虑脉动风和自然风对结构的影响。在风作用下结构上的风力含有顺风力、横风力和扭力矩三种。顺风力是必须要考虑的效应，一般情况下起主导作用。横风力及共振是在横风力作用下，在空气的流速和粘性影响下使结构尾部产生流体旋涡脱落。风速达到某一临界值时，结构运动无限制地增大将导致空气动力失稳。

2.3建筑体型与风作用

不同体型的高层建筑及布局方式对气流的阻挡，将影响到风的流向、流速和流场，从而又影响着建筑的风荷载。设计人员在设计过程中应使体型组合合理，从而减小风效应的不良影响。

2.4高层建筑体型设计方法

建筑体型设计可从平面形状和竖向型体两方面考虑，同时考虑平面与竖向的组合关系，通过合理的建筑体型有效减小风荷载对建筑的不利影响：

2.4.1平面设计

（1）高层建筑抗风设计的优选平面为流线形平面。

（2）正多边平面可为高层建筑抗风设计的常用平面。对于平面转角尤其是具有锐角的三角形时，可采用切角处理以减小应力集中现象和角落效应。

（3）对于复杂平面来说，此时，平面设计的重点是结合风向控制平面突出长度并选择有利于减小体型系数的朝向。

2.4.2型体设计

（1）选择锥状型体，同时，高层建筑外柱倾斜可以增大抗推刚度，从而产生反向水平分力，可使侧移减少10%-50%。

（2）高层建筑的长度L、宽度B、高度H之间有合理的比例：H/B宜为3～4不大于6，L/B宜为2～3，不大于4。

2.4.3刚度设计

（1）高层建筑的刚度宜为下大上小的渐变分布，可以通过内部抗侧结构的刚度分布和建筑体型来实现。台体或锥体的体型所提供的刚度分布自身就满足要求。而柱体建筑由于体型分布均匀，可通过改变内部抗侧构件的截面尺寸来满足要求。

（2）并联高层楼群可将单体高层建筑顶部连为并联高楼群，其顶点的侧移大约可减少到独立悬臂结构的1/4。

2.4.4泄风设计

高度和长度都较大的建筑，尤其是弧形或折线形平面且凹向迎风时，极有可能发生流体旋涡脱落的现象。可利用设备层或结合中庭透空进行楼身泄风，在楼身的合理高度位置增设泄风开口。也可在高层底部设置裙房或挑棚等，减弱下沉涡流对地面的不利影响。同时可以利用高层建筑泄风开口或建筑群间各种局部强风效应，设计风力发电系统，变不利为有利。

3.结语

风荷载对于高层建筑或结构来说有着重要影响。（下转第178页）（上接第98页）同时，风荷载的作用与高层建筑的体型紧密相连，通过科学合理的建筑体型选择与设计，不仅能使高层建筑结构更加安全可靠，而且能极大的改善建筑自身及周边的环境。当前我国对于高层建筑体型系数的研究，无论是体型类别或是试验的细致程度，与高层建筑的快速发展都有差距。我国的风荷载规范与先进国家相比还存在差距，还有许多研究和应用的问题值得关注。 [科]

【参考文献】

[1]张冬兵，梁枢果，陈寅，邹垚.高层建筑风场的数值模拟和风洞试验结果比较[J].武汉理工大学学报，2011（04）.

[2]王敏，霍小平.风荷载与高层建筑体型设计浅析[J].工程建设与设计，2010（10）.