多分裂導線(xiàn)阻力系數的變化規律研究論文
本文針對我國GB/T1179—2008《圓線(xiàn)同心絞架空導線(xiàn)》[17]中的典型大截面導線(xiàn)，設計制作了4、6、8分裂模型導線(xiàn)和真型導線(xiàn)，通過(guò)導線(xiàn)在風(fēng)洞中水平布置的方式，測量了不同風(fēng)速、紊流度和迎風(fēng)角度時(shí)的導線(xiàn)整體阻力系數。通過(guò)對比不同分裂數和不同直徑的多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數的大小，揭示多分裂導線(xiàn)整體阻力系數的變化規律。
多分裂導線(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗設計
1模型導線(xiàn)設計與真實(shí)導線(xiàn)。本次試驗所用的模型為剛體模型，模擬我國目前輸電導線(xiàn)標準GB/T1179—2008《圓線(xiàn)同心絞架空導線(xiàn)》中比較典型的幾種導線(xiàn)規格，型號分別為JL/G1A-400/50、JL/G1A-630/45和JL/G1A-900/40。試驗剛體模型制作比例為1:1，綜合考慮長(cháng)徑比與風(fēng)洞尺寸的限制，長(cháng)度取為1.5m。模型采用鋁管核心外纏繞橡膠線(xiàn)制作，以保證模型彎曲剛度并模擬實(shí)際導線(xiàn)外形。3種模型導線(xiàn)的加工截面如圖1所示，其中，d表示用于模擬實(shí)際導線(xiàn)最外圍的單根鋁線(xiàn)的橡膠線(xiàn)的直徑，D表示模型導線(xiàn)的外徑，單位均為mm。本試驗同時(shí)加工制作了真實(shí)導線(xiàn)并進(jìn)行了相應的風(fēng)洞試驗，試驗的所有工況與模型導線(xiàn)相同。
2端板、豎向支架及分離板設計。本次試驗涉及的多分裂導線(xiàn)的具體分裂數目為4、6、8分裂，其分裂間距分別為450、400、400mm。為了模擬分裂導線(xiàn)在實(shí)際工程中水平布置的方式，同時(shí)為了方便在風(fēng)洞中安裝導線(xiàn)，設計制作了端板以及豎向支架。端板用鋁板制作，并進(jìn)行內部鏤空與周邊倒角處理，保證剛度的同時(shí)減小端板對風(fēng)場(chǎng)的干擾以及端板橫風(fēng)向振動(dòng)的影響。端板上分裂導線(xiàn)布設位置分別留孔，以便安裝導線(xiàn)。導線(xiàn)與端板之間通過(guò)卡扣連接。采用2根外徑121mm的圓鋼柱作為端板與導線(xiàn)組合體的豎向支架。在2個(gè)支架的端部安裝高頻天平，連接測試端板。為了減小鋼柱對測試段流場(chǎng)的影響，采用豎向分離板將測試段與豎向支架分隔。
3旋轉連接件。為了實(shí)現多分裂導線(xiàn)在風(fēng)洞內的整體轉動(dòng)，以研究多分裂導線(xiàn)阻力系數隨迎風(fēng)角度的變化，設計制作了安裝于端板與天平之間的旋轉連接件。通過(guò)旋轉連接件上的刻度控制旋轉角度。本次試驗各分裂導線(xiàn)的初始安裝位置(0位置)及試驗風(fēng)攻角如圖2所示。試驗模型最終組裝完成后的效果見(jiàn)圖3。
4紊流風(fēng)場(chǎng)模擬。本試驗在同濟大學(xué)土木工程防災國家重點(diǎn)實(shí)驗室TJ-2風(fēng)洞進(jìn)行。通過(guò)在模型前安裝格柵，并調節格柵，得到合適的紊流場(chǎng)。格柵的布置如圖4所示。圖5給出了實(shí)測風(fēng)速均值U為23.52m/s時(shí)，湍流強度Iu(風(fēng)速波動(dòng)的標準差與平均風(fēng)速的比值)隨測點(diǎn)距風(fēng)洞地面高度H變化的實(shí)測值。模型在風(fēng)洞中所處高度為0.6~1.6m，由圖5可知，此高度范圍內湍流強度剖面非常穩定。在整個(gè)試驗風(fēng)速范圍內，湍流強度保持在7%~8.5%。
風(fēng)洞試驗結果與分析
1模型導線(xiàn)與真型導線(xiàn)的試驗結果對比。由于本次試驗的工況較多，考慮到文章篇幅的限制，以下僅示出一些具有代表性的工況的結果，所顯示的規律對于全部的試驗工況具有一般性。本次試驗在進(jìn)行模型導線(xiàn)試驗的同時(shí)，還進(jìn)行了真型導線(xiàn)的試驗。一方面可以通過(guò)對比驗證本次實(shí)驗的精度，另一方面也可以研究?jì)烧咧g產(chǎn)生誤差的原因。8分裂和6分裂真型導線(xiàn)與模型導線(xiàn)阻力系數的試驗結果分別如圖6、7所示。由圖6、7可知，在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，阻力系數先降低，然后上升，存在一個(gè)極小值，并且在紊流場(chǎng)中，阻力系數極小值對應的風(fēng)速要小于在均勻流場(chǎng)中的風(fēng)速，說(shuō)明在紊流場(chǎng)中導線(xiàn)由臨界區轉移到超臨界區的臨界風(fēng)速小于均勻流場(chǎng)中的臨界風(fēng)速，這與已有的試驗結果與理論結果吻合[16]，同時(shí)驗證了試驗的精度。隨著(zhù)風(fēng)速的增加，均勻流場(chǎng)中的阻力系數最終趨于穩定。但是由于風(fēng)洞性能的限制，在紊流場(chǎng)中難以達到均勻流場(chǎng)中的高風(fēng)速，紊流場(chǎng)中的阻力系數沒(méi)有達到穩定。由于紊流場(chǎng)中氣流在導線(xiàn)表面的分離位置推后，引起導線(xiàn)負壓區減小。因此，紊流場(chǎng)中的阻力系數最終的穩定值將小于均勻流場(chǎng)中的阻力系數穩定值。真型導線(xiàn)的阻力系數要略大于模型導線(xiàn)的阻力系數，主要原因在于真型導線(xiàn)彎曲剛度較小，安裝完成后出現彎曲，并且在試驗的過(guò)程中隨著(zhù)風(fēng)速的增大彎曲程度增大，使得前后導線(xiàn)的軸線(xiàn)高度不能完全重合，從而降低了導線(xiàn)之間的屏蔽干擾效應，使得其阻力略大。其次，模型導線(xiàn)外圍纏繞的用于模擬真型導線(xiàn)外形的橡膠線(xiàn)與空氣的摩擦系數與真型導線(xiàn)的鋁線(xiàn)與空氣的摩擦系數存在差異，也是引起真型導線(xiàn)與模型導線(xiàn)阻力系數不同的一個(gè)因素。表1示出了在均勻流場(chǎng)中高風(fēng)速下真型導線(xiàn)與模型導線(xiàn)穩定后的整體阻力系數(Cdreal、Cdmodel)及其之間的差值，以模型導線(xiàn)為基準。由表1可以看出，所選工況中，真型導線(xiàn)與模型導線(xiàn)阻力系數相差最大為6.1%，最小的為2.4%，絕大多數工況相差在5%以下，這表明真型導線(xiàn)與模型導線(xiàn)阻力系數在高風(fēng)速區差別不大。由于模型導線(xiàn)在測試中不變形，測試精度更好，因此下文選用模型導線(xiàn)的試驗結果進(jìn)行分析。
2整體阻力系數隨迎風(fēng)角度的變化。綜合考慮導線(xiàn)的分裂數以及直徑，選取幾個(gè)具有代表性的試驗工況比較阻力系數隨迎風(fēng)角的變化情況，試驗結果見(jiàn)圖8、9。表2給出了在均勻流場(chǎng)中不同風(fēng)攻角下導線(xiàn)穩定后的整體阻力系數的最大值Cdmax、最小值Cdmin及其之間的差值，差值以最小值為基準。由圖8、9及表2可見(jiàn)，隨著(zhù)迎風(fēng)角度的變化，多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數產(chǎn)生較大的變化，表2所選工況的阻力系數最大值與最小值相差均在10%以上，多數在18%~22%之間。但由圖8、9可見(jiàn)，各角度下出現阻力系數最小值時(shí)候的風(fēng)速基本保持不變，這說(shuō)明導線(xiàn)迎風(fēng)角度的改變并不影響其臨界風(fēng)速。此外，可以看出，正常施工時(shí)候導線(xiàn)安裝的初始位置(對應0迎風(fēng)角度)的阻力系數最小。隨著(zhù)風(fēng)速的改變，阻力系數并不存在一個(gè)固定的具有最大值的迎風(fēng)角度，但是存在一個(gè)總體上阻力系數較大的迎風(fēng)角度，如8分裂900/40導線(xiàn)13.5的位置等。當導線(xiàn)處于這一角度附近時(shí)，在同一風(fēng)速下，導線(xiàn)所受的風(fēng)荷載較大，此時(shí)結構處于最不利狀態(tài)。因此，比較此最大阻力系數隨分裂數和導線(xiàn)直徑的變化更具有工程實(shí)際意義。
3導線(xiàn)分裂數對整體阻力系數的影響。圖10示出了隨導線(xiàn)分裂數的不同，整體最大阻力系數的變化趨勢。由圖10可知，均勻流場(chǎng)中風(fēng)速超過(guò)35m/s后，導線(xiàn)位于超臨界區，最大阻力系數趨于穩定。表3給出了幾個(gè)工況均勻流場(chǎng)中最大阻力系數穩定值及其隨分裂數的變化，差值以同一種導線(xiàn)4分裂最大阻力系數穩定值為基準(負數表示該阻力系數較基準值減小)。由圖10及表3可以看出，同一種導線(xiàn)，最大阻力系數隨分裂數的增加而減小，并且導線(xiàn)截面越大，減小幅度越大，這是由于隨著(zhù)分裂數的增加，使得位于直接迎風(fēng)導線(xiàn)后部的導線(xiàn)受到前部導線(xiàn)尾流的影響增大，即通常所說(shuō)的多分裂導線(xiàn)的遮擋效應。這一現象，對于重新考慮我國正在大規模建設的`特高壓大截面、多分裂導線(xiàn)輸電線(xiàn)路的導線(xiàn)風(fēng)荷載取值提供了重要啟示。
4導線(xiàn)直徑對阻力系數的影響。圖11示出了6、8分裂導線(xiàn)隨導線(xiàn)直徑的變化，最大阻力系數的變化結果。由圖11可以看出，同一分裂數同一種導線(xiàn)，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，進(jìn)入臨界區后，阻力系數迅速減��；風(fēng)速繼續增加，進(jìn)入超臨界區后，阻力系數緩慢增加，最終趨于穩定，存在一個(gè)使得阻力系數取得最小值的臨界風(fēng)速。在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，臨界風(fēng)速值隨著(zhù)導線(xiàn)直徑的增大都有減小的趨勢。表4示出了在均勻流場(chǎng)中各分裂數導線(xiàn)隨導線(xiàn)直徑的變化，最大整體阻力系數穩定值及其變化，以各分裂導線(xiàn)400/50導線(xiàn)最大阻力系數穩定值為比較基準(負號表示該阻力系數較基準值減小)。由圖11及表4可見(jiàn)，同一分裂數，在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數隨導線(xiàn)直徑的增大而降低。這是因為，隨著(zhù)導線(xiàn)直徑的增大，直接迎風(fēng)面導線(xiàn)的尾流對后部導線(xiàn)的影響增大，即導線(xiàn)的屏蔽效應增大，使得多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數減小。由表4同時(shí)也可以看出隨著(zhù)分裂數的增加，屏蔽效應更加明顯。
5阻力系數試驗值與規范值的比較。我國《重覆冰架空輸電線(xiàn)路設計技術(shù)規程》[1]、《110~750kV架空輸電線(xiàn)路設計技術(shù)規范》[3]和《1000kV架空輸輸電線(xiàn)路設計規范》[18]規定：導線(xiàn)或地線(xiàn)的阻力系數Cd，當線(xiàn)徑小于17mm或覆冰時(shí)(不論線(xiàn)徑大小)應取1.2；線(xiàn)徑大于或等于17mm時(shí)，取1.1。ASCE[4]與IEC[8]規定，導線(xiàn)的阻力系數統一取1.0，但是有直接測量結果或者是有風(fēng)洞試驗結果的可按照測量或者試驗結果取值。本次試驗的3種型號導線(xiàn)直徑均大于17mm，根據我國現行規范，在不覆冰情況下單根導線(xiàn)的阻力系數為1.1，計算分裂導線(xiàn)整體阻力時(shí)應在1.1的基礎上依次乘以導線(xiàn)分裂數目、單根導線(xiàn)的迎風(fēng)面積和基本風(fēng)壓，因此對應于本試驗對多分裂導線(xiàn)整體阻力系數的定義，規范值取1.1。但由圖8—11可以看出，各工況下多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數在均勻流場(chǎng)中的設計風(fēng)速以及更高風(fēng)速中(風(fēng)速大于等于27m/s)均在1.0以下，如900/406分裂導線(xiàn)最大阻力系數在風(fēng)速超過(guò)35m/s時(shí)穩定在0.92。此外，由圖8—11還可以看出，在更多分裂數、更大導線(xiàn)截面的特高壓輸電線(xiàn)路中，最大阻力系數的降低更為明顯，8分裂900/40導線(xiàn)在均勻流場(chǎng)中最大阻力系數的穩定值降到了0.9，較規范值降低幅度達到18.2%。因此，現行規范對于多分裂導線(xiàn)阻力系數的統一取值偏于保守，尤其是對于目前建設的特高壓8分裂導線(xiàn)輸電線(xiàn)路中，建議特高壓多分裂導線(xiàn)的阻力系數取值考慮導線(xiàn)間遮擋效應的影響，使計算結果更加合理化。
結論
本文通過(guò)對3種型號的4、6、8分裂導線(xiàn)的風(fēng)洞試驗研究，從模型導線(xiàn)和真型導線(xiàn)的區別、湍流強度、迎風(fēng)角度、導線(xiàn)分裂數目和導線(xiàn)截面等多方面對多分裂導線(xiàn)阻力系數進(jìn)行了詳細研究。本文的主要結論如下：1）隨著(zhù)迎風(fēng)角度的變化，多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數產(chǎn)生較大的變化，存在一個(gè)總體上阻力系數最大的迎風(fēng)角度。正常施工時(shí)候導線(xiàn)安裝的初始位置(對應0迎風(fēng)角度)的阻力系數最小。2）同一種導線(xiàn)，均勻流場(chǎng)中最大阻力系數隨分裂數的增加而減小。3）同一分裂數，在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，多分裂導線(xiàn)的整體阻力系數隨導線(xiàn)截面的增大而降低。4）現行規范對多分裂導線(xiàn)的阻力系數的取值略顯保守。對于大截面多分裂導線(xiàn)，特別是特高壓的八分裂導線(xiàn)阻力系數的取值，可以考慮導線(xiàn)之間的遮擋效應造成的阻力系數的減小這一有利因素。建議對于目前特高壓線(xiàn)路中使用的八分裂900/40導線(xiàn)整體阻力系數取0.9。
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