架空导线流固耦合振动数值模拟

摘要

由于经济和社会的快速发展和用电需求的快速增长，超高压和特高压输电线路在我国得到广泛使用。风是影响输电线路正常运行的重要因素，在风荷载作用下，输电导线的流固耦合现象十分突出。对风致输电导线流固耦合振动机理的研究，对预防输电线路风致振动损坏事故，保证我国输电线路的正常运行和经济的稳定发展具有非常重要的工程意义和经济价值。
　　本文基于计算流体动力学（CFD）数值模拟技术来研究导线风致振动响应。在商用CFD软件平台Fluent的基础上，采用C语言编写结构振动程序Newmark-β算法，运用动网格技术更新运动结构的边界，构建了一套二维流固耦合振动的计算模型。基于该振动模型，研究单根输电导线微风振动响应和准椭圆形覆冰导线的气动力特性，并且尝试对一定覆冰厚度的准椭圆形覆冰导线的舞动进行数值模拟。
　　本课题的主要研究内容如下：1）为了确定合适的网格单元和划分方式，设定合理的动网格参数，以保证流固耦合计算过程中的网格质量，本文先对低雷诺数、小质量比圆柱涡激振动进行二维数值模拟，并且验证了数值方法的正确性。同时进行了大雷诺数、大质量比圆柱涡激振动数值计算，研究了这两种情况下圆柱振动强度随频率比的变化规律；2）设计了小、中和大档距三种工况的输电线路，并选取了相应材质的导线，根据导线张力确定微风振动研究的频率，研究表明当旋涡脱落频率进入锁定区时，导线微风振动模拟得到的平均阻力系数和升力系数均方根值都大于固定导线绕流模拟得到的结果，且振动从非锁定区到锁定区的转换速度非常快，只有当旋涡脱落频率非常接近结构振动频率时才有产生涡激共振的可能。3）对不同覆冰厚度准椭圆形覆冰导线的静三分力系数进行数值计算，计算得到的参数平均值与风洞试验结果的变化趋势基本相同，但在某些攻角范围内数值计算结果与试验结果有较大差距，而三维模拟能够得到与风洞试验相近的结果；根据失稳判定准则得到不同覆冰厚度下准椭圆形覆冰导线可能产生舞动的攻角范围；4）建立3自由度流固耦合振动模型，考虑扭转作用，模拟8～14m/s风速范围内覆冰导线的舞动,分析了位移时程曲线的变化趋势。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的构思与主要研究内容

第二章 CFD数值模拟技术

2.1流体动力学控制方程

2.2湍流的数值模拟方法

2.3湍流模型

2.4控制方程的求解过程及离散

2.5流场的计算方法

2.6网格划分

2.7动网格

2.8流固耦合计算方法

第三章 单圆柱体涡激振动数值模拟

3.1圆柱绕流数值模拟

3.2圆柱涡激振动计算方法及其实现

3.3本章小结

第四章 输电线路微风振动数值模拟

4.1影响输电导线振动强度的因素

4.2微风振动计算模型

4.3固定导线绕流模拟

4.4输电导线微风振动数值模拟

4.5本章小结

第五章 准椭圆形覆冰导线气动特性及舞动数值模拟

5.1准椭圆形覆冰导线气动特性数值模拟

5.2气动力参数计算结果

5.3覆冰导线舞动稳定性分析

5.4覆冰导线舞动数值模拟

5.5本章小结

结论与展望

1.本文主要结论

2.未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

声明

致谢

附录A

附录B