基于3自由度的新月形覆冰输电线舞动稳定性研究

针对覆冰输电线舞动问题提出了一种基于非对称空气动力系数矩阵的临界风速计算方法．基于拟静态理论得到覆冰输电线的气动载荷，该气动载荷考虑了横向运动以及扭转运动对相对风攻角的影响，最后建立等效的3自由度覆冰输电线舞动模型．在初始风攻角处对气动载荷进行泰勒展开，得到非对称的线性空气动力系数矩阵．结合3自由度振动方程以及非对称空气动力系数矩阵，采用Rourh-Hurwitz准则计算覆冰输电线舞动发生的临界风速．通过风洞实验测得新月型覆冰单导线的空气动力系数，根据本文提出的理论分析了竖向振动频率、面外振动频率以及扭转振动频率对临界风速的影响，最后与DenHartog理论得到的临界风速进行了对比．本文研究成果对于指导覆冰输电线路防舞设计具有理论意义．     

考虑温度效应的覆冰导线动力学建模及舞动特征研究

针对以往研究忽略了温度效应对覆冰导线舞动特性的影响,本文推导了考虑温度效应影响的覆冰导线舞动控制方程。基于悬链法、热应力理论推导了覆冰导线的偏微分舞动方程,接着通过Galerkin法将该偏微分方程转化为常微分方程。建立气动载荷模型,将气动力引入到舞动方程中,随后采用多尺度求得了覆冰导线的位移响应,最后进行了参数分析、算例分析。结果表明:温度对覆冰导线面内、面外的频率影响显著,且对覆冰导线舞动的幅值也有一定的影响。可见针对覆冰导线舞动特征的影响研究,有必要考虑温度效应的影响,本文的研究成果有利于理论建模的完善,也能给予实际工程一定的参考。     

一种新的覆冰导线舞动非线性有限元分析方法

本文基于Hamilton原理,建立了耦合三个平动自由度和一个扭转自由度以及偏心覆冰作用下导线的非线性舞动方程,提出了一种新的覆冰导线舞动分析非线性有限元模型,将相邻跨导线和绝缘子等效为线性弹簧单元,同时考虑覆冰导线非线性气动力和大幅舞动的几何非线性,采用Newmark-β时间积分结合修正的Newton-Raphson非线性迭代求解舞动有限元方程。本文数值解与D形覆冰导线舞动实测值无论在振幅还是频率方面均吻合得非常好,证明了本文新提出的导线舞动有限元模型的准确性。本文研究还表明：舞动是一种以上下运动为主的低频振动,通常发生在一阶上下自振频率附近,其振幅和频率由输电线路的物理参数和风载荷唯一确定,与初始运动状态无关。     

覆冰四分裂导线动态气动系数风洞试验

覆冰导线舞动是由这些导线的气动不稳定性引起的。由于导线动态空气动力特性不同于静态气动系数,本文针对新月形冰形制作了覆冰四分裂导线模型,通过风洞试验动态测试的装置设定可测量不同扭转频率下的空气动力系数。风洞试验得到了不同扭转运动频率、风速和覆冰厚度等关键工况下新月形覆冰四分裂导线的动态空气动力系数。风洞试验结果显示,动态气动系数与静态气动系数存在显著差异。不同于静态气动系数,动态气动系数曲线是环形的,多种参数对气动系数影响明显。结果表明,风洞试验结果为覆冰分裂导线运动研究及其防治技术提供了必要的数据。     

两种离散方法对覆冰四分裂导线舞动特征的影响

首先基于Hamilton变分准则推导了覆冰导线三自由度耦合动力学方程组,接着采用两种离散方法离散动张力应变,一种是直接使用Galerkin法离散,另一种是先将动张力应变等效处理,然后再使用Galerkin法离散.由风洞试验测得新月形覆冰四分裂导线的气动力系数,并将各子导线的气动力系数等效,接着利用泰勒展开式拟合气动力系数,选取攻角55°进行舞动分析.基于Runge-Kutta法得到两种离散方法下的位移响应曲线,通过对比这两者位移响应曲线的差别,发现不同的离散方法对系统的相位、频率以及振幅皆有一定程度的影响.本文研究有助于理论建模的完善,并能给予实际工程一些指导.     

覆冰三分裂导线舞动的数值模拟方法

以覆冰三分裂导线为研究对象,提出了一种模拟覆冰分裂导线舞动的数值方法。用Hamilton变分原理建立系统的动力学平衡方程,利用罚函数法引入子导线上间隔棒连接点的运动约束条件;采用Newmark法进行时间积分、Newton-Raphson法迭代求解非线性方程。通过数值算例验证了方法的正确性。在该方法的应用中由于尾流影响而导致迎风侧子导线和背风侧子导线所受空气动力载荷不同,数值模拟结果反映了这一因素对各子导线舞动轨迹的影响。此方法为分裂导线舞动的深入研究提供了一种有效途径。     

GALLOPING BEHAVIORS OF SECTOR-SHAPE ICED EIGHT BUNDLE CONDUCTORS1)

考虑到重冰区的特高压输电线路更容易形成接近扇形的覆冰,结合风洞实验及数值模拟方法研究了扇形覆冰八分裂导线的舞动特征。通过扇形覆冰八分裂输电线的节段模型风洞实验,获得各覆冰子导线随风攻角变化的气动参数。在ABAQUS软件中建立单档扇形覆冰八分裂输电线路的有限元模型,通过程序UEL输入各覆冰子导线的气动参数,根据数值模拟结果可获得舞动轨迹及振幅等舞动特征,最后讨论了风速、档距和初始风攻角对八分裂导线舞动特征的影响。     

扇形覆冰特高压八分裂导线舞动特性分析

考虑到重冰区的特高压输电线路更容易形成接近扇形的覆冰,结合风洞实验及数值模拟方法研究了扇形覆冰八分裂导线的舞动特征。通过扇形覆冰八分裂输电线的节段模型风洞实验,获得各覆冰子导线随风攻角变化的气动参数。在ABAQUS软件中建立单档扇形覆冰八分裂输电线路的有限元模型,通过程序UEL输入各覆冰子导线的气动参数,根据数值模拟结果可获得舞动轨迹及振幅等舞动特征,最后讨论了风速、档距和初始风攻角对八分裂导线舞动特征的影响。     

D形覆冰六分裂导线空气动力系数数值模拟

利用FLUENT流体动力学分析软件计算D形覆冰六分裂导线在特定风速下的绕流问题,得到各覆冰子导线空气动力系数随风攻角的变化曲线.分析了迎风侧子导线尾流对背风侧子导线气动特性的影响.结果表明,D形覆冰六分裂导线各子导线的空气动力系数存在明显差异,在研究舞动及其防舞技术时有必要考虑这种差异.     

连续体覆冰导线模型的舞动实验研究

建立了适合连续体覆冰导线舞动实验的专用风洞,以连续体单跨覆冰单导线模型为实验对象,采用激光传感器测量了导线不同位置处的位移响应,得到了导线在不同风速下的舞动振型,利用力传感器得到了导线舞动时的动张力。结果表明:覆冰导线在来流风场作用下进行舞动,在随风速增大的过程中先后经历了两个大幅舞动阶段,一阶模态和二阶模态在两个阶段中分别被激发;动张力幅值与舞动幅值基本成正比,动张力频率包含导线模型舞动频率的一倍频和二倍频。在大风速时,导线模型的舞动为多阶模态的耦合振动,在舞动过程中无固定的波峰和结点。     

WIND TUNNEL TEST AND STABILITY STUDY OF ICED QUAD BUNDLE CONDUCTOR1)

通过覆冰四分裂导线与单导线风洞试验,得到了4种不同工况下的空气动力系数,接着采用等效替代法得到关于四分裂导线中心轴的等效气动力系数,再将该系数与相同条件下进行风洞试验所得的单导线气动力系数作对比。结合Den Hartog横向驰振机理与Nigol扭转稳定机理,分析了等效后覆冰四分裂导线的稳定区与不稳定区,并将其与单导线的稳定区与不稳区作对比,分析了两者的失稳。本文所得结论能对覆冰导线舞动研究与仿舞技术研究有一定的参考价值。     

气动力⁃安培力⁃谐波激励作用下载流导线的非线性振动特征

研究了气动力-安培力-受迫激励联合作用下载流新月形覆冰导线的振动特征,在传统只考虑安培力的载 流导线振动方程中引入了气动力和受迫激励项,使得模型更加符合实际工程．首先建立了载流新月形覆冰输电 导线模型,接着推导了载流覆冰导线模型的振动方程,利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微 分方程,采用多尺度法进行摄动求解,求得幅-频响应函数,并对比分析主共振情况下考虑气动力与不考虑气 动力时载流、间距、风速、张力、激励幅值对振动幅值的影响．研究结果表明：考虑气动力的振动幅值较未考 虑气动力时小．各线路参数对导线的幅值都有一定程度的影响,并且使系统表现出明显的软弹簧特征和复杂的 动力学行为．本文研究成果能为实际工程提供一定参考价值     

On the quasi-steady analysis of one-degree-of-freedom galloping with combined translational and rotational effects

Galloping is the low-frequency, self-excited oscillation of an elastic structure in a wind field. Its analysis is commonly based on a quasi-steady aerodynamic analysis, in which the instantaneous wind forces are derived from force data obtained in static wind tunnel tests. For the galloping of a rigid prismatic beam the validity of the quasi-steady assumption is critically assessed for the case that rotational effects must be included in the aerodynamics. An oscillator structure with one (torsional) degree of freedom is proposed which allows a reliable modelling. Its effective motion can be considered as being composed of a translation with a coupled rotation of the cross section, and can be regarded as a natural extension of pure translational galloping. The analysis reveals that the resulting aerodynamic damping is determined by the sectional aerodynamic normal force coefficient alone. An aerodynamic damping coefficient is defined that can be expressed uniquely in terms of an aerodynamic amplitude, allowing a normalization of the galloping curve. This result can be used to analyze both purely translational and combined galloping, which are found to differ only by the way the structural amplitude (displacement) is related to the aerodynamic amplitude. An interesting result is that for large wind speeds rotational galloping displays an aerodynamic limit, in contrast to translation galloping where the limit-cycle amplitude increases linearly with wind speed. Results obtained from wind tunnel experiments confirm the major findings of the analysis.     

A quasi-steady 3 degree-of-freedom model for the determination of the onset of bluff body galloping instability

In this paper, a quasi-steady three degree-of-freedom (3-dof) flow-induced galloping instability model for bluff-bodies is proposed. The proposed model can be applied generally for the prediction of onset of galloping instability due to negative aerodynamic damping of any prismatic compact bluff body in a fluidic medium. The three degrees of freedom refer to the bluff body's two orthogonal displacements perpendicular to its length axis and the rotation about its length axis. The model incorporates inertial coupling between the three degrees of freedom and is capable of estimating the onset of galloping instability due changes in drag, lift and moment, assuming that the bluff body is subject to uniform flow and motion. The changes may be a function of wind angle of attack (α) perpendicular to bluff body's length axis, Reynolds number and a skew wind angle (?) in relation to the length axis of the bluff body. An analytical solution of the instability criterion is obtained by applying the Routh-Hurwitz criterion.