覆冰导线气动力特性风洞试验及摆动有限元分析研究

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电力事业是国民经济的命脉,关系着国家现代化建设的方方面面。而作为电力事业生命线的输电线路的建设、发展、维护是其中极为关键的问题。在特殊的气候条件下,输电导线表面结冰,形成翼形而使气动力及气动弹性性能变得复杂。在一定的风速和攻角条件下,覆冰导线容易产生舞动,舞动是一种低频率、大振幅的自激振动。覆冰导线气动力系数是分析输电线路驰振必不可少的基础数据,将为输电线路设计和运行线路的防舞提供基础参数支持。  本文介绍了导线的覆冰机理、导线的舞动机理、舞动的防治方法等,对气动力试验研究方法和国内外的研究状况进行了回顾。通过高频测力天平风洞试验,对新月形覆冰四分裂导线、D形覆冰二分裂导线、D形覆冰六分裂导线进行了气动力研究,并对覆冰厚度、初凝角、子导线尾流干扰等进行了深入的研究。通过有限元方法在时域内计算分析了D形覆冰六分裂导线的舞动响应,进一步计算了响应的功率谱密度函数。  风洞试验方面:制作了D形和4种不同厚度的新月形覆冰输电导线的刚性节段模型,通过高频测力天平试验研究了不同工况下的导线气动力特性。设计了考虑流场二维特性和风洞边界层效应的试验装置,设计出了通过单天平测量分裂导线各子导线气动力的试验方法,研究了气动力系数对风向角的变化规律,以及覆冰厚度、初凝角、子导线尾流干扰等对气动力特性的影响。根据Den Hartog舞动理论分别计算了各种工况下覆冰导线可能发生舞动的风向角范围。  舞动有限元分析方面:针对实际线路建立有限元模型,运用风洞试验测得的覆冰导线气动力数据施加风荷载,进行覆冰分裂导线舞动的有限元分析。子导线由具有扭转自由度的三节点抛物线索单元构成,间隔棒则由欧拉梁单元构成,采用自由度缩聚的方法实现子导线和间隔棒在部分节点上的连接。基于完全拉格朗日格式,针对具有扭转自由度的三节点抛物线索单元建立导线单元的非线性动力平衡方程。  本文的成果丰富了现有覆冰导线的气动力数据库,并探究了覆冰厚度、初凝角、子导线尾流干扰等因素的影响,为深入进行覆冰导线舞动试验及仿真提供了宝贵的参数并为进一步精确计算其他覆冰形状的气动力系数提供了参考。  
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