中南大学学士学位论文 外文翻译 译文
风工程与工业空气动力学杂志74—76 (1998) 967—976
风洞效应结构舞动的研究和分析
O. Chabart, J.L. Lilien
摘要：舞动是一个大振幅，低频率，架空电线的风致振动。在绝大多数情况下，输电导线上存在覆冰：这使导线的截面形状发生改变，从而使其发生空气动力学失稳。本文通过在架空导线上形成一个典型的覆冰形状并进行研究风洞试验中产生的舞动。文章的第一部分已测得在不同风速作用下舞动准静态空气动力学系数。第二部分在风洞实验中用弹簧悬挂模型，使得实验系统尽可能地接近真实的架空导线（允许纵向，横向和旋转运动）。在适当的攻角下导线就会发生舞动。对电力工作人员来说，有两种舞动：邓哈托舞动和颤振。前者是一个空气动力学不稳定问题，因为引起这个问题的主要因素是覆冰的空气动力学特性。颤振是一个气动弹性问题，因为对这种失稳来说，导线的结构特性显得同样重要。同时它存在至少两个自由度之间振动的相互耦合。它们都被试验记录。这些试验提供一套完整的数据并在舞动过程中记录极限环。这些测量结果可用于数值模型验证和防舞动措施的效率评价（失谐，增加垂直、扭转阻尼，转动惯量的改变等）。 关键词：振动；风洞；架空导线；舞动
1. 引言
架空导线舞动会带来相位间闪络并对导线、装置或输电塔造成损害。它影响到能源传输的可靠性。此外，建造费用必须增加，以减少闪络的概率。文献[9-11]中总结了许多实际观察结果，主要在单导线方面。
目前尽管有许多有关风洞方法的论文[2，3，6，13]，但据笔者所知，除了一篇研究单条导线有部分结果的论文外[14]，仍未发表有关架空导线完全实验数据的论文。这块领域有很多录像资料，但无法取得导线或风速或覆冰形状的数据，而且（但非常明显）在已观察的事件中没有覆冰的空气动力学特性的数据。最近一些足尺测试将会在不久的将来取得一些非常吸引人的结果[17]。
实际上，过去有人曾对容易导致邓哈托舞动的人工D形覆冰进行了一些实地测试[1]。在我们看来，这种测试不能重现架空导线真实的舞动，或者说仅仅是异常的重现。架空导线上覆着的湿雪，霜或冰都不会形成D字形截面[15]。只有当很薄的偏心覆着层受到迎风作用时才会导致偏离偏心覆着层原始位置的 Den-Hartog舞动。但大多数覆冰情况下并不是这样的。
获得完整数据的一个简单廉价的方法是进行实验测试。因为把整个架空导线放入风洞中是不可能的，而减小规模尺寸又模拟不出真实现象。于是我们在实验中采用一系列小线段的悬浮模型。导线、人工覆冰和风保持与外界一致，给模型适当的频率振荡来模拟跨度和跨与跨之间的相互作用。如他人一样[4，6-8]，考虑三频率（水平、竖向和扭转）的基本影响因素，进行适当的测试安装。我们还没获得有关索中张力改变的反应，但是这种现象很容易通过模拟来实现，而且它不是评价舞动的稳定性和一些参数的影响（像失谐、驰振等等）的基本参数。 我们的风洞试验将通过全面完整的一组数据来验证一个数值计算模型。此外，一个好的试验装置可以测试许多参数，如各个自由度下的振动频率（包括失谐的影响），分裂导线舞动的伴流影响（将二分裂导线放入风洞中），阻尼效应
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（在测试中加入适当的阻尼器）等。
数值模型验证后[12，17，18]，同样的模型可以用来进行足尺模拟，包括张力的变化，完整的跨越效应，间隔的影响，跨阶段间隔效应等。
2. 试验模型
本文只限于一种覆冰形状，偏心非常严重（见图1）。其他稍有偏心的形状也在我们的试验中加以了研究。
该架空电缆是一个用于比利时400千伏网络的架空导线：所有铝合金线，直
?3?6232.5?10m620?10m径，截面积。导线的外层用一个适当直径的铝管包裹，以保持大约一米长的直线试验导线。选用接近麦克滕斯托尔（Mike tunstall）形状的人工覆冰形状，与我们的外部直径相适应。覆在索上的“覆冰”（ 密度1.13）通过表面粗糙的木模具用硅树脂做成（见图2）。这种试验导线已从原来的试验导线（自身得到实际覆冰）中复制而来。人工覆冰的长度为0.8米，离心率（覆冰厚度和导线半径的比值）为1.32。覆冰重心与电缆截面中心的距离为2.17?10?2m。
图 1 覆冰的形状
图 2 覆冰样本图
3. 风洞设施
我们大学的风洞是小型的，最初是为航空系设计和使用的。46千瓦的电动引擎允许风速60m/s，但是最小风速约为8m/s。这是一个有开放部分的环闭试验区。有效圆形截面的直径为0.8米。湍流强度约为1%。
该系统用刚性杆架成悬空结构，用三个测力计（最大负载10公斤， 0.1 ％的偏差的全尺实测）来测量气动力系数。两个垂直测力计（放在图5中的1和2
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位置）用来测量垂直力（L）和力矩（M）。第三个（放在3位置）用来测量拉力（D）。在五种不同风速作用下（在8—20m/s），对每个风攻角测量三次（时距超
??过一分种）得到各个力的平均值。风攻角的增量为5，覆盖了360范围内的风攻角。图3显示了特定风速下的实验测量值。
图 3 风速为了15米/秒下的系数值
为了获得有用的曲线,我们采用了不同的数据处理方式(平均，样条或傅立叶插值)。图4是最后结果的一个说明。
这个数字表明，对大多数风攻角来说，风速对升力系数的影响是有限的。这同样也适用于其它系数。实际上，系数变化作为风速的函数对每一个风攻角来说是不同的。
图 4 不同风速下的升力系数
4. 风洞中的舞动
试验模型用四根垂直的弹簧悬挂在风洞中（图5）。四根横向弹簧允许系统
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水平振动。所有的弹簧具有相同的刚度（14N/m），但竖向的施加预应力，以限制由于结构自重（2.99千克）引起的静态变形。为了防止风吹到弹簧及部分没有覆冰的结构上，在覆冰样本的末端放置了两个垂直板（图中未画出）。风洞的收敛和发散已略作修改，以加入这些板块。两个圆形（外径0.2米）开口允许样本运动，但限制了其最大振幅。结构的阻尼非常低，垂直方向和水平方向运动的临界阻尼为0.08%，旋转的临界阻尼约为0.3%（呈对数递减）。垂直运动频率和扭转频率通常是用以避免舞动的一个因素，可通过增加惯性或增加扭转刚度（在架空导线上增加垂直质量）。在这种情况下，很容易通过改变垂直弹簧之间的距离来改变扭转刚度。框架内的锚固点可以在弹簧方向上移动来保证当风吹来时试验导线在板块开口的中心（如果没有考虑不稳定问题）。试验导线的竖向和水平位移和扭转用工作频率为50Hz像素为520万的CCD照相机记录。一排发光二级管放在管的最后，使电脑处理时实信号更加容易。
图 5 风洞动力系统图
覆冰与水平方向的角度用?表示（如图1）。结构水平时，初始积冰角（?0）就是角度?。针对不同的速度对不同的积冰角和频率比进行试验。首先把竖向弹簧放置在离样本中心0.12米处。这样的布置在无风的情况下测得垂直频率（fv），扭转频率（f?）和水平频率分别为0.845 ，0.865和0.995Hz。对一个实际的架空分裂导线来说，垂直频率和扭转频率之间的比值约为1。对不同的积冰角度进行
???了测试：典型的上面象限迎风（0—-90）和下面象限背风（-90??180）[9]。试验过程中，即使在风洞试验允许的最小风速下我们观察到的舞动振幅也经常超过垂直板上限制的0.2米开口。图6-9显示了振幅被限制情况下的结果。无量纲风速定义为U0fd，其中U0代表风速，f表示舞动频率，d为导线的直径。 对这个冰积角（-30）来说，当风速小于9m/s或大于12.5m/s时，由于不稳定性太高以至难以获得极限环（实际上，或多或少有稳定的反应）。当风速在这两个限值之间时，可得到以下结果。变化角度的位置保持不变（图8），但是扭转最
??大点之间的幅度差随着风速的增加而增加（36.1 到52.8）。垂直和水平振幅随着时间的变化而变化（见图6和图7）。三个运动方向的振动频率是相同的，都为0.89 Hz,这是舞动频率（无量纲风速为335）。试验导线上的一点在xy坐标系下的运动轨迹被称为舞动椭圆。这个椭圆的形状和大小对防止舞动作用十分重要。这
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可被输电塔设计者用以防止舞动的一个被动的对策。对这个冰积角来说，在不同的风速下（即使是微弱的变化），舞动椭圆的外表变化很大（图9）。
图 6 水平位移U0?9.7m/s,?0??30,fvf??0.98,U0/fd?335
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图 7 垂直位移U0?9.7m/s,?0??30,fvf??0.98,U0/fd?335
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图 8 积冰角的位置U0?9.7m/s,?0??30,fvf??0.98,U0/fd?335
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