考虑流固耦合效应的导线风振响应分析

考虑流固耦合效应的导线风振响应分析

电线电线是一种典型的大倾角结构。它的特点是通过在导线两端之间的预测值提供刚性，并在强度下表现出强烈的几何非线性。由于输电导线的刚度较小,因此在风荷载的作用下易产生大幅位移,而导线具有的柔性性质使导线产生的大变形会对来流风场造成显著影响,风场的变化又会导致风荷载的变化。但传统的分析方法仅是将脉动风作为载荷函数施加到导线上,未考虑风与其所引起的结构运动之间的相互耦合作用,故计算结果并不精确,也不能分析导线在强风中的振动情况。因此,考虑流固耦合效应更接近导线在风场中运动的实际情况。鉴此,本文通过ANSYS软件分析了考虑流固耦合效应的导线风振响应,通过与不考虑流固耦合效应情况的对比,表明导线的空间姿态和风攻角对其风振响应特性具有显著影响。1控制方程式1.1回归系数对于可压缩牛顿流来说,守恒定律可通过控制方程进行描述,其中质量守恒方程:∂ρf/∂t+∇(ρfν)=0(1)动量守恒方程:∂ρfν/∂t+∇(ρfν-τf)=ff(2)其中τf=(-p+μ∇ν)I+2μe;e=(∇ν+∇νT)/2式中,ρf为流体密度;t为时间;∇为矢量微分算符;ν为流体速度矢量;τf为剪切力张量;ff为体积力矢量;p为流体压力;μ为动力粘度;I为惯性张量;e为速度应力张量。1.2柯西应力张量的能量方程固体方面的守恒方程可利用牛顿第二定律导出:ρsd¨s=∇σs+fsρsd¨s=∇σs+fs(3)式中,ρs为固体密度;d¨d¨s为固体域当地加速度矢量;σs为柯西应力张量;fs为体积力矢量。能量方程:∂(ρfhtot)∂t−∂p∂t+∇(ρfνhtot)=∇(λ∇T)+∇(νt)+νρfff+SE(4)∂(ρfhtot)∂t-∂p∂t+∇(ρfνhtot)=∇(λ∇Τ)+∇(νt)+νρfff+SE(4)式中,htot为流体部分总焓;λ为导热系数;T为温度;SE为能量源项。对固体部分,增加了由温差引起的热变形项:fT=αT∇T(5)式中,αT为与温度相关的热膨胀系数。1.3耦合交界面处的耦合方程流固耦合必须遵循最基本的守恒原则,所以在流固耦合交界面处,应满足流体与固体应力(τ)、位移(d)、热流量(q)、温度(T)等变量的守恒,即满足以下方程(下标s表示固体、f表示流体):2流固耦合分析目前,流固耦合分析方法主要有直接耦合式解法(也称强耦合法)和分离解法(也称弱耦合法)两种。其中,强耦合法是将流固控制方程耦合到同一方程矩阵中求解(即同时求解流体和固体方程),这在理论上非常理想,但在实际应用中,强耦合法很难将现有CFD和CSM技术真正结合到一起,因此尚未发挥实际作用;弱耦合法无需耦合流固控制方程,而是通过流固交界面将流体域和固体域的计算结果相互交换传递。相对于强耦合法,弱耦合法可利用现有的计算流体力学和计算固体力学的方法和程序来求解实际工程问题,故流固耦合分析大多采用弱耦合法。本文采用ANSYS软件进行流固耦合分析。从算法上讲,ANSYS也是采用弱耦合法求解流固耦合问题。从数据传递的角度出发,流固耦合可分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。其中,单向流固耦合分析在耦合交界面处的数据传递是单向的,一般指将CFD分析计算结果(如力、温度和对流荷载)传递给固体结构分析;双向流固耦合分析的数据交换是双向的,即既有流体分析结果对固体结构进行传递分析,又有固体结构分析结果(如位移、速度和加速度)反过来传递给流体分析。由于本文需考虑导线在强风中的大位移和振动情况,因此采用双向流固耦合。ANSYS提供单场求解器(MFS-singlecode)和多场求解器(MFX-multiplecode)来求解双向流固耦合问题,后者可用于解决大规模复杂模型,包括顺序求解方式和同步求解方式两种求解方式,既可设定固体计算域和流体计算域同时求解,也可设定两者的优先级别,并按一定顺序来求解,直至达到收敛标准或设定的最大迭代数。对流固耦合中的数据传递,MFX提供profilepreserving和conservative两种插值方式,本文采用适合于位移传递的profilepreserving插值法。3计算与分析3.1流场模拟结果以GB1179-1983中LGJ-400/35钢芯铝绞线为例,其外径为26.82mm,弹性模量为65GPa,密度为3172kg/m3。档距取350m,安全系数取3.0,导线两端拉应力为34633N,两端模拟为固接。风场环境取温度为25℃、密度为1.185kg/m3、粘性系数为1.831kg/(m·s)的不可压缩流场。平均风速取30m/s,并不考虑场地类别对风环境的影响。在紊流风场作用下对输电导线流固耦合进行了数值分析,并与不考虑流固耦合的情形进行了对比。3.2风场密度、阵风条件选取以下两种工况进行计算:①工况1。风攻角α=90°,高差h=0m,即导线水平放置于流场中,流场长、宽、高分别为350、10、6m,导线距流场入口4m,距出口6m,距顶面和底面均为3m;②工况2。风攻角α=45°,高差h=10m,流场长、宽、高分别为350、20、20m。风场进口采用30m/s的平均风速,出口压力为0Pa,雷诺数取1.9×105,侧壁、顶面和底面均采用自由滑移壁面条件,导线表面采用无滑移壁面。采用k—Epsilon湍流模型对导线流固耦合风振响应进行分析,其中湍动能k(k取1m2/s2)和Epsilon与湍流强度、湍流长度尺度及速度尺度有关。3.3阻尼效应的影响图1为工况1下导线跨中节点位移时程曲线。由图1可知,顺风向位移大于竖向位移。考虑流固耦合效应和不考虑流固耦合效应时导线在工况1下中点总位移时程曲线见图2,中点迎风面风压时程曲线见图3。由图2可知,导线的振动随时间衰减的特性明显,但工况1中未设置任何阻尼,可见这是导线周围空气的正气弹性阻尼效应引起的,该阻尼对导线的振动有明显的反向抑制作用。由图2、3可知,考虑流固耦合效应与不考虑流固耦合效应时的导线风振响应曲线差别非常小,可见在工况1下考虑流固耦合效应对结果的影响较小。图4为工况2下导线跨中节点位移时程曲线。由图4可知,顺风向位移小于竖向位移,这是由于导线轴向与风向之间的夹角减小了顺风向振动,而沿导线轴向的漩涡使尾流区的卡曼漩涡得到加强,导致横风向导线振动增大。考虑流固耦合效应和不考虑流固耦合效应时导线在工况2下中点总位移时程曲线见图5,中点迎风面风压时程曲线见图6。由图6可知,与工况1的计算结果相比,工况2下导线跨中节点迎风面的风压明显减小,说明导线在风场中的位置对导线表面风压有重要影响。由图5、6可知,考虑与不考虑流固耦合效应对导线的风振响应影响较大,考虑流固耦合效应时的迎风面风压比不考虑流固耦合效应的情况大25%以上,这是由于空气负阻尼作用导致导线的气弹性失稳,因此若不考虑流固耦合效应的影响,计算结果将会很不安全。4风振系数对结构风振的影响a.导线在稳态风场环境下,其气弹性阻尼一般为正,对结构的