输电线的流固耦合振动数值分析

摘要

由于现代建筑向超高层和大跨度方向发展,因此结构将变得更轻,更柔,结构在风荷载作用下的流固耦合效应十分突出。在电力输送方面,大跨度导线具有刚度小,阻尼小,结构和流体强烈耦合的特点。这种流固耦合现象,除了出现在建筑结构、输送电力方面,在海洋工程,桥梁拉索以及飞机之间的输油管上也有大量发生,因此具有重要的学术价值和广阔的应用前景。
　　无论圆形截面还是非圆形截面柱体在来流风作用下都将会产生气动力,由此将会引起结构振动。目前,对风荷载作用下结构振动的研究主要集中在单相流固耦合,并没有考虑流体和结构之间的相互作用。本文采用CFD数值模拟方法,研究了圆形导线截面和覆冰导线截面在均匀来流下流致振动的特点和规律。研究工作主要包括以下四个方面:
　　第一,采用了FLUENT计算流场,实现了流固耦合的数值模拟。运用C语言自编程序(采用Newmark-β法)计算结构振动,通过动网格技术更新边界,研究了流域设定,网格质量,时间步长,动网格参数设置和自编程序对计算精度和效率的影响,最终实现了对弹性支撑刚性柱体流致振动的双向流固耦合的可靠性强效率高的数值模拟。
　　第二,采用弹性支撑刚性柱体流致振动的双向流固耦合方法得到了低雷诺数下圆柱体流致振动规律。研究了结构参数和自由度对圆柱体气动力和横向位移的影响,得到了圆柱横向位移随结构参数,自由度的变化规律,解释了气动力,尾流中的涡结构和振动轨迹三者之间的关系。
　　第三,采用了ICEM划分结构化网格,实现了高雷诺数下圆柱固定绕流数值模拟。使用FLUENT对流场进行计算,研究了湍流模型,时间步长,网格质量,流域设定对计算精度的影响,最终实现了圆柱在高雷诺数下固定绕流数值模拟,为高雷诺数下流固耦合数值模拟奠定了基础。
　　第四,采用弹性支撑刚性柱体流致振动的双向流固耦合方法,得到了低雷诺数下覆冰导线截面流致振动规律。研究了结构参数和自由度对覆冰导线截面气动力和横向位移的影响,得到了覆冰导线截面横向位移随结构参数,自由度的变化规律,观察到了系统振动由驰振向涡激振动变化过程,解释了气动力,尾流中的涡结构和振动轨迹三者之间的关系。