覆冰非光圆绞突截面输电导线气动力及舞动特性分析

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架空输电线路跨越高山、河谷等环境,将电力输送到千家万户,输电导线作为输电线路的重要组成部分,极其易受到冰雪、大风等影响,特别是覆冰后,极易产生舞动现象,从而导致线路故障,引发用电事故。实际中输电导线多采用钢芯铝绞线,其截面具有明显绞突特征即非光圆,而大多数关于覆冰输电导线的气动力和舞动特性的研究基本将导线考虑为光圆截面,对其非光圆绞突截面的特点考虑不足;同时,覆冰输电导线舞动是一种双向流固耦合现象,而大多数研究中对导线振动对流场的影响的分析有所不足;此外,目前关于覆冰输电导线的流固耦合研究多基于均匀风场的分析,较少考虑风场脉动的影响。基于以上背景,本文采用FLUENT软件,以JL/G1A-400-35钢芯铝绞线为例,进行覆冰输电导线的气动力和舞动特性分析。主要内容和结论如下:(1)利用重叠网格技术,采用混合网格建立光圆与非光圆截面覆冰导线模型,分析比较了两种截面导线在不同风速、不同的覆冰厚度、不同的覆冰形状和不同的导线直径下的气动力特性、涡脱方面差异。研究表明,两种截面覆冰导线模型在气动力、涡脱图均存在较大差异,气动力系数最大相对误差可达-1.75,因此覆冰输电线系统精细化抗风设计时应考虑到导线绞突对其气动力特性的影响。(2)采用非光圆绞突截面覆冰导线模型,利用FLUENT软件的二次开发功能,进行了单导线的单向和双向流固耦合分析,深入分析考虑不同导线振动方向时对导线气动力、涡脱和舞动位移等的影响。结果表明,双向流固耦合下导线的气动力波动较大,并且随风速增加波动更加剧烈。流向振动会增大导线的横风向振幅,最大增大24%;在风攻角65°-115°之间更易产生顺风向舞动,其最大能达到横风向位移的7.5倍。扭转振动会改变导线的舞动形态,会使之由横、顺风向舞动转变为扭转舞动。(3)对覆冰分裂导线进行单向与双向流固耦合情况下导线的气动力特性差异分析,同时分析在考虑双向流固耦合情况下分裂导线在不同导线振动情况下的气动力及舞动特性。结果显示,下游导线比上游导线更易发生横风向舞动,且更易受到不同导线振动形式的影响。下游导线的气动力及舞动特性受上游导线尾流的影响会因考虑导线不同振动方向的不同而不同。可见考虑导线振动后,对分裂导线气动力及舞动特性影响较大。(4)采用Profile输入方式,进一步进行覆冰导线在非均匀风场下时的双向流固耦合分析,并与均匀风场下的覆冰导线气动力与舞动特性进行对比分析。研究表明,非均匀风场下导线的气动力系数和运动轨迹会随风速变化出现较大的波动,会变得更加剧烈与不稳定,由此可知,考虑非均匀风场对覆冰输电导线的双向流固耦合下气动力以及舞动特性的影响必不可少。
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