输电塔横斜材钢管构件涡激振动减振措施研究

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近些年,我国特高压电网得到了快速的发展,作为新基建的重要一环,是引领新经济增长的重要高新技术项目。特高压输电塔线路由于结构巨大,出于减轻塔重、充分发挥材料性能,提高承载力的要求。圆截面钢管构件逐渐取代了角钢构件,得到了大量的使用。但是因为圆形截面的钝体特性,会在尾流处形成规则脱落的旋涡,这些旋涡脱落的频率与圆管自振频率接近时,会导致涡激振动。涡激振动的长期存在会使得圆管节点产生疲劳破坏,进而导致结构破坏。因此,减弱其涡激振动的持续时间以及振动强度成为一个亟需解决的问题。涡激振动控制主要分为主动控制和被动控制两类,本文以被动控制作为主要的研究方向。本文首先使用数值模拟(CFD)和风洞缩尺模型实验结合的方式展开了研究,讨论了多种减振措施。主要分为以下几个方面:(1)数值模拟方面首先以计算精度和计算效率为考量,确定了计算网格、时间步,湍流模型等前期条件;讨论了固定圆柱的流场特征,并与前人的经典实验数据对比;模拟了单圆柱的涡激振动,分析了其振动机理;改变了单圆柱的结构质量比和阻尼比,将几种模拟工况结果与前人实验对比,进一步讨论了前人提出的改进Griffin公式的适用性。(2)在单圆柱涡激振动模拟的基础上考虑了两种扰流措施,首先模拟了单圆柱附加圆形凸起在转角α=0,α=120(转角定义见图3.1与图3.17)两种工况下的涡激振动;因为圆形凸起在α=120未取得减振作用,而造成振动增强,考虑采用扰流板的涡激振动被动控制措施;模拟了在α=0处附加了0.25D、0.5D、0.75D,1D(D代表圆柱直径)等长度的扰流板在雷诺数4162~10077的减振效果,分析其减振机理以及流场特性;同样的雷诺数下,模拟了0.5D长扰流板在α=0、α=30、α=60、α=90,α=120处的减振效果,分析其减振机理与流场特性。(3)在数值模拟的基础上,本文开展了缩尺钢管模型风洞实验研究。测试了两种质量阻尼参数,两种长细比的圆管振动,将实验结果与模拟对比;测试了圆管表面缠绕单根螺旋线的振动响应,改变螺旋线直径以及螺旋线螺距,均未达到减振效果,在某些工况出现了振动增强;测试了在圆管尾流中心布置单向扰流板,发现能达到减振效果。对圆管中心布置单向扰流板的布置宽度,长度两种参数进行参数分析;研究单向扰流板沿着圆柱的展向均匀布置,改变转角,测试了α=0、α=60、α=90三种工况。(4)考虑实验前几种扰流措施的局限性,采用了一种十字扰流板的布置方式。首先,跟单向扰流板相同,先在圆管中心布置十字扰流板,测试其布置宽度的影响,得出了在宽度为12D时能抑制大部份振动;然后,测试从中心向外扩散布置十字扰流板,布置两种尺寸W=1D、LP=0.5D,W=2D、LP=0.5D(W,扰流板长度,LP,扰流板长度)的十字扰流板,得出了尺寸为W=1D、LP=0.5D的十字扰流板最佳布置间距为3D。而W=1D、LP=0.5D的十字扰流板最佳布置间距为4D。
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