输电导线气动阻力简化数值模拟方法与流程

1.本发明涉及输电导线模拟技术领域，具体的说是一种输电导线气动阻力简化数值模拟方法。


背景技术：

2.风荷载在输电线路所有荷载中占主导地位，其对杆塔基础及杆塔本身的强度设计有着重大的影响。工程中输电线路风荷载的计算在很大程度上取决于相应设计规范中建议的阻力系数的取值。随着电网规模的快速建设和气候与环境的不断变化，导线的风灾日益严重。因此准确计算和减小导线阻力系数是很重要的，特别是在大风环境下。仅通过提高强风条件下输电线路的结构强度，需要大量投资来实现抗风目的，且有一定的局限性。传统钢芯铝绞线(aluminum conductor steel reinforced，acsr)是最常见的导线，它的外层绞线截面通常为圆形。在acsr的结构基础上进行气动外形优化，开发阻力系数较小的异形导线，具有广阔的应用前景。
3.由以前的研究可知单导线的阻力系数主要受到雷诺数、来流风向、湍流度和导线表面结构形式(粗糙度)等因素的影响。对于多分裂导线，还受到子导线的数量、间距和角度的影响。然而它们都是对特定导线的研究，很少有对导线不同表面结构形式(粗糙度)的影响进行系统分析，这远远不能满足工程应用的需要。
4.导线可以看做表面有多个螺旋形的绞线或凹槽的粗糙圆柱。粗糙圆柱的绕流有类似光滑圆柱的特性(achenbach,1971；achenbach and heinecke,1981；farell and arroyave,1990)：在亚临界区阻力系数基本不变，不受粗糙度影响。临界区最小阻力系数随相对粗糙度k/d增大而增大。粗糙度会导致边界层提前分离，使临界雷诺数减小。超临界区阻力系数随k/d增大而增大。螺旋形的线或凹槽作为一种全向减振装置，被大量研究(law and jaiman,2018；ishihara and li,2020)。(szalay,1989；tanaka et al.,2012；tang et al.,2013；kim et al.,2015)等对多边形截面笔直和螺旋高层建筑的力和响应进行了试验研究，这可以为新型导线的研究提供参考。
5.基于上述技术，在导线的气动阻力系数计算方面，仍然存在计算数据复杂，计算量大等缺陷，导致计算困难，对导线模拟技术的进程有较大的阻碍。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种输电导线气动阻力简化数值模拟方法，对导线进行了风洞试验研究，得到了阻力系数随风速变化规律。然后采用cfd模拟，对传统导线几何模型并简化。得出了一种更为简单的导线模拟方法，计算量大大降低。
7.为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
8.一种输电导线气动阻力简化数值模拟方法，其关键步骤在于按照以下步骤进行：
9.s1：确定n种输电导线类型和对应的输电导线参数，并确定风洞试验的试验场景；
10.s2：定义输电导线阻力系数公式，对n种输电导线进行风洞试验，获取输电导线气
动阻力系数与风速之间的关系；
11.s3：任意从n种输电导线中选择一种导线作为目标输电导线，采用cfd软件对目标输电导线进行模拟，验证模拟准确性，并得到目标输电导线几何模型；
12.s4：对目标输电导线几何模型中的导线凹槽进行简化，得到目标输电导线几何简化模型；
13.s5：根据步骤s1中风洞试验的试验场景，预设气动阻力系数影响因子，采用cfd软件对所述目标输电导线几何简化模型的输电导线气动阻力系数进行数值模拟，得到气动阻力系数影响因子作用下，目标输电导线与风速之间的关系；并锁定气动阻力系数影响因子。
14.通过上述方案，首先对所有导线进行了风洞试验研究，得到了阻力系数随风速变化规律。然后采用cfd模拟，对传统导线几何模型进行了简化。选择其中一种新型导线，研究了其凹槽深度和凹槽数量对阻力系数的影响。提出了一种导线模拟方法，大大降低了计算数据和难度。
15.再进一步的计算方案，所述输电导线参数至少包括导线横截面面积、外层绞线数量、外层绞线直径、外层绞线形状、导线外径；所述风洞试验的试验场景中至少包括的试验参数为：导线试验段长、回流风洞空间大小、风洞风速阈值、湍流度、风速不均匀性值、输电导线气动阻力系数采样频率、输电导线气动阻力系数采样时间。
16.再进一步的计算方案，所述输电导线阻力系数公式为：
[0017][0018]
其中c
d
是导线阻力系数；f
d
是测得的施加在导线上的阻力平均值；ρ是空气密度；u是垂直于导线的风速；l是导线长度；d是导线外径。
[0019]
再进一步的计算方案，所述目标输电导线几何简化模型采用的是剪切应力传递模型；模型计算域为：以导线中心为坐标原点，其宽度和深度分别为30d和40d；计算域展向长度为5d，每条绞线沿着展向长度l＝5d旋转180
°
，建立了一个中心对称且周期性的模型，d是导线外径；模型网络为：导线凹槽采用楔形网格；绞线壁面采用六面体网格，绞线远离壁面采用了楔形网格；导线流场内部网格是通过沿展向扫掠二维网格并同时扭曲网格而形成螺旋形的绞线网格；导线流场外部是直接沿展向扫掠，导线流场内部网格通过非匹配网格与导线流场外部网格连接。
[0020]
再进一步的计算方案，步骤s4中，对目标输电导线几何模型中的导线凹槽进行简化的内容为：
[0021]
采用导线表面等效粗糙度在试验风速范围对目标输电导线几何模型进行等效替换，目标输电导线几何简化模型；导线表面等效粗糙度的计算公式为：
[0022][0023][0024]
其中r(θ,z,t)为局部半径，表示从截面中心c到曲面上某个点的距离，该距离是圆柱上的角度θ，沿圆柱轴向位置z以及时间t的函数；
[0025]
d是导线外径；r为导线外接圆的半径，d＝2r；
[0026]
若err(θ,z,t)在每个点均等于0，则圆柱为圆形且截面恒定。
[0027]
再进一步的计算方案，步骤s5中，预设气动阻力系数影响因子至少包括导线凹槽深度和导线凹槽数量；所述气动阻力系数影响因子为导线凹槽深度。
[0028]
本发明的有益效果：找到了能合理模拟原型的深度，气动阻力系数影响因子为导线凹槽深度，通过模拟发现，阻力系数随凹槽的深度变化为先减小，后增大然后平稳。得到了降低阻力系数效果最好的导线形状。
附图说明
[0029]
图1是导线模型示意图
[0030]
图2是传统导线(上)及其对应新型导线(下)截面形状示意图
[0031]
图3是风洞试验模型安装布置图
[0032]
图4是阻力系数c
d
和减阻率随风速变化规律对比示意图；
[0033]
图5是导线计算域示意图；
[0034]
图6是传统导线网格示意图；
[0035]
图7是凹槽深度示意图；
[0036]
图8是传统导线阻力系数随风速变化曲线示意图；
[0037]
图9是阻力系数试验值与模拟值对比示意图；
[0038]
图10是阻力系数随凹槽深度变化示意图；
[0039]
图11是平均流线图示意图；
[0040]
图12是边界层轮廓示意图；
[0041]
图13是本发明方法流程图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
[0043]
一种输电导线气动阻力简化数值模拟方法，按照以下步骤进行：
[0044]
s1：确定n种输电导线类型和对应的输电导线参数，并确定风洞试验的试验场景；
[0045]
所述输电导线参数至少包括导线横截面面积、外层绞线数量、外层绞线直径、外层绞线形状、导线外径；
[0046]
所述风洞试验的试验场景中至少包括的试验参数为：导线试验段长、回流风洞空间大小、风洞风速阈值、湍流度、风速不均匀性值、输电导线气动阻力系数采样频率、输电导线气动阻力系数采样时间。
[0047]
在本实施例中，n＝3，3种输电导线类型分别为：jl/g1a
‑
630/45，jl/g2a
‑
720/50和jl1/g2a
‑
1250/100。
[0048]
在表1中，列举3中导线对应的六种实际导线的截面参数，试验中1:1的几何缩尺比制作了导线的刚性模型。模型导线是将3d打印的导线外壳套在硬铝管上制成。外壳的材料为pla塑料，准确打印，与硬铝管紧紧贴合，硬铝管保证了模型的刚度。所有导线的节径比均在11左右，逆时针螺旋上升。
[0049]
其中jlx2/g1a(dfy)
‑
720/50的凹槽深度h为凹槽底部和导线外接圆之间的的距
离。模型导线有效长度为1.7m。导线模型和截面形状见图1和图2。
[0050]
表1传统导线及其对应低风压导线参数
[0051][0052]
风洞试验的试验场景为：
[0053]
风洞试验是在石家庄铁道大学风洞实验室高速试验段进行，这是一个封闭的回流风洞。试验段长5m，宽2.2m，长2m，最大风速80m/s。在63m/s下，湍流度小于3％，风速不均匀性小于1％。
[0054]
为了模拟实际导线，在模型两端安装了端板。端板安装在两端的套筒上并通过外部支座固定在风洞壁上，使得端板和导线分开受力。端板厚8mm，直径260mm，由硬木板制成，该厚度足以提供平面外刚度。为了最大程度地减小端板横风振动和对流场的影响，并使其边缘为45
°
倾斜面。六分量高频测力天平(hffb)水平安装在铝管的两端，采样频率为1500hz，采样时间为20s。参见图3，显示了风洞中的最终试验设置。
[0055]
s2：定义输电导线阻力系数公式，对3种输电导线进行风洞试验，获取输电导线气动阻力系数与风速之间的关系；
[0056]
所述输电导线阻力系数公式为：
[0057][0058]
其中c
d
是导线阻力系数；f
d
是测得的施加在导线上的阻力平均值；ρ是空气密度；u是垂直于导线的风速；l是导线长度；d是导线外径。
[0059]
在本实施例中，考虑了七个均匀风速，风速范围为10.0m/s～44.8m/s。
[0060]
结合图4可以看出，试验测量了三组传统导线及其对应新型导线在10m/s～44.8m/s风速范围内的阻力，得到c
d
和减阻率随风速变化规律。减阻率＝(新型导线阻力系数
‑
传统导线阻力系数)/传统导线阻力系数。
[0061]
三种传统导线及其对应的新型导线的c
d
‑
u曲线都是先下降后上升，最后趋于平稳，这与以往的试验结果一致。传统导线的c
d
最小值对应的风速为15m/s到20m/s之间，新型导线阻力系数最小点对应的风速值大于25m/s。三种新型导线的减阻率也有先减小后增大直至平稳的规律。风速较小时，三种新型导线的减阻率都很小，甚至小于0，达不到减阻效果。当风速大于15m/s时，减阻率逐渐增大；超过25m/s，始终为正，开始有了明显减阻效果。三种新型导线中，(e)导线的阻力系数降低效果更明显，最大减阻率36.98％。
[0062]
s3：任意从3种输电导线中选择一种导线作为目标输电导线，采用cfd软件对目标输电导线进行模拟，验证模拟准确性，并得到目标输电导线几何模型；
[0063]
在本实施例中，选择的是导线jlx2/g1a(dfy)
‑
720/50。
[0064]
所述目标输电导线几何简化模型采用的是剪切应力传递模型；该模型涉及两个运输方程，即一个用于湍动能和特定耗散率的方程。分析中采用了非稳态分离算法(usa)。耦合速度表达式用simple算法处理，并且针对不稳定情况采用了二阶隐式方案。二阶方案用于k
‑
ω输运方程和动量方程中的对流项。
[0065]
结合图5可以看出，模型计算域为：以导线中心为坐标原点，其宽度和深度分别为30d和40d；计算域展向长度为5d，每条绞线沿着展向长度l＝5d旋转180
°
，建立了一个中心对称且周期性的模型，d是导线外径；
[0066]
在模拟时圆柱两端采用对称边界条件可以有效地预测长圆柱的气动力。圆柱位于进口下游15d处。入口边界处采用均匀速度条件，u＝19.5m/s，基于导线外径的雷诺数re＝ud/ν≈4.8
×
104。出口边界处使用压力出口条件。计算域的顶部，底部和横向表面均采用对称边界条件。
[0067]
传统流场网中包括局部网格、壁面局部网格、钢绞线壁面局部立面网格。详见图6。由于绞线之间的凹槽深处尺寸比较小，因此需要高分辨率才能准确捕获流场特性。
[0068]
本实施例中，模型网络为：导线凹槽采用楔形网格；以确保绞线复杂几何形状的精度。
[0069]
绞线壁面采用六面体网格，形成边界层网格；
[0070]
绞线远离壁面采用了楔形网格；以避免过大长细比的网格。
[0071]
整个流场使用了混合网格系统，并将其划分为内外两个区域。导线流场内部网格是通过沿展向扫掠二维网格并同时扭曲网格而形成螺旋形的绞线网格；导线流场外部是直接沿展向扫掠，导线流场内部网格通过非匹配网格与导线流场外部网格连接。
[0072]
交界面两侧的网格尺寸相似，因此可以保持精度。该网格系统不仅有助于生成合理的网格，而且允许使用较少数量的网格以足够的精度加快计算速度。新型导线也采用了相同的网格划分策略。
[0073]
网格的收敛性通过导线的几个无量纲空气动力学参数来验证，即阻力系数和升力系数均方根以及strouhal数。strouhal数用s
t
＝f
v
d/u表示，其中f
v
表示通过对圆柱上的升力进行频谱分析得到的涡旋脱落频率。表2显示了不同分辨率网格的平均阻力系c
d
，升力系数均方根c
lrms
以及s
t
。网格分辨率从网格1到网格3逐渐提高。网格2和网格3之间的结果小于2％，且与试验结果相比均小于2％，这对于工程应用收敛是可以接受的。因此，考虑到精度和效率，在以下模拟中使用了网格2。
[0074]
表2网格无关性验证
[0075]
网格网格数量c
d
c
lrms
s
t
网格12,845,0401.0280.700.23网格24,192,5600.9450.510.22网格35,746,8000.9340.490.23试验值 0.9290.470.22
[0076]
s4：对目标输电导线几何模型中的导线凹槽进行简化，得到目标输电导线几何简化模型；
[0077]
由图6(b)绞线壁面附近网格可以看到，若直接对传统导线流场进行网格划分，网格数量将会特别多。特别是绞线之间的凹槽里面，网格不仅多且细小，这将导致计算时的收
敛困难，且不一定导致正确的结果。根据粘性流体的基本假设，夹角附近的流体本身距离各个壁面都很近，因此流动性差，流动阻力大，速度也几乎都为0。且根据以往的对传统导线凹槽尖角的削减，导线表面的相对粗糙度变化不大，因此对cd的影响不大。
[0078]
因此对图2(b)传统导线jlx2/g1a(dfy)
‑
720/50的凹槽进行简化，找到能合理模拟原型导线的深度。
[0079]
由于导线阻力系数与外层绞线直径、数量和导线直径等多个参数有关，
[0080]
则步骤s4中，对目标输电导线几何模型中的导线凹槽进行简化的内容为：
[0081]
采用导线表面等效粗糙度在试验风速范围对目标输电导线几何模型进行等效替换，目标输电导线几何简化模型；
[0082]
导线表面等效粗糙度的计算公式为：
[0083][0084][0085]
其中r(θ,z,t)为局部半径，表示从截面中心c到曲面上某个点的距离，该距离是圆柱上的角度θ，沿圆柱轴向位置z以及时间t的函数；
[0086]
d是导线外径；r为导线外接圆的半径，d＝2r；
[0087]
若err(θ,z,t)在每个点均等于0，则圆柱为圆形且截面恒定。
[0088]
s5：根据步骤s1中风洞试验的试验场景，预设气动阻力系数影响因子，采用cfd软件对所述目标输电导线几何简化模型的输电导线气动阻力系数进行数值模拟，得到气动阻力系数影响因子作用下，目标输电导线与风速之间的关系；并锁定气动阻力系数影响因子。
[0089]
步骤s5中，预设气动阻力系数影响因子至少包括导线凹槽深度和导线凹槽数量；所述锁定气动阻力系数影响因子为导线凹槽深度。
[0090]
结合图7可以看出，采用不同直径的同心圆对凹槽深度进行削减，减小凹槽深度，其粗糙度及对应c
d
详见表3。
[0091]
表3钢绞线不同凹槽深度时c
d
[0092]
编号凹槽深度h(mm)等效粗糙度k
e
/d(％)c
d
c
lrms
s
t
实验2.5251.5330.9290.470.22模拟12.1151.5270.9450.510.22模拟21.7151.4920.9450.510.22模拟31.3151.3950.9470.520.22模拟40.9151.1980.9360.470.22模拟50.7151.0470.9900.570.22模拟60.5150.8501.0980.800.24
[0093]
传统导线的凹槽深处宽度小，浅处宽度深，因此最开始的凹槽深度减小对等效粗糙度影响不大。当等效粗糙度为1.198％时，简化后的导线与原导线的阻力系数很接近。当等效粗糙度进一步减小，结果变化非常大。阻力系数随凹槽深度变化规律将在下面新型导线凹槽的研究时详细分析。采用此等效粗糙度在试验风速范围对此传统导线进行了cfd模
拟。阻力系数的模拟值和本文试验值很接近，详见图8。
[0094]
选择图2(e)新型导线jlx1/g1a(dfy)
‑
680/45，对其气动力进行进一步研究。由试验结果可知，该导线能更有效降低导线阻力系数。首先在试验风速范围内对其进行了cfd模拟，阻力系数随风速变化规律参见9所示，模拟结果与试验结果基本一致，模拟精度符合要求。改变该新型导线凹槽深度和凹槽个数，在风速u＝30m/s，re≈7.1
×
104处进行了模拟分析。
[0095]
参见图10，为该导线阻力系数随凹槽深度变化曲线，其中凹槽深0.29mm为该新型导线原本深度。可以看到该新型导线的阻力系数随凹槽的深度的增加而增大，当凹槽深度为0.5mm时，甚至超过了该低风压导线对应的传统导线。
[0096]
光滑圆柱和三种不同凹槽深度导线的平均流线图，参见图11。
[0097]
图11中表示的是导线跨中截面的平均流向速度。右边放大图是边界层分离位置(红色框区域)。尾流主要由一对对称的涡环组成，它们的长度通常称作再循环长度。圆柱表面粗糙度会显著影响尾流形态，导线的尾流再循环长度相对光滑圆柱显著增大。图11(d)可以看到凹槽里面有小的漩涡，这是由于流体在凹槽里面局部分离产生的。通过画出边界层剖面可以找到分离点。图12是不同凹槽深度导线跨中截面分离点附近的边界层轮廓。可以看到，边界层轮廓从l形变化为s形，表明存在拐点，即分离点。精确的分离点位置θ
s
和再循环长度l
r
/d见表4。光滑圆柱的分离点为88.6
°
，浅的的凹槽会使分离点向后移动，导致阻力系数减小，但是当凹槽足够深时，分离会发生在凹槽的边缘，阻力系数反而增大。
[0098]
表4不同凹槽深度导线再循环长度和分离点位置
[0099][0100]
凹槽数量对导线阻力系数的影响很小，只有略微减小的趋势。当边数较多时，改变边数的影响很小，这可以从正多边形的试验得到证实。边数越多，越接近光滑圆柱，所以阻力系数为减小。
[0101]
由上面分析可知，多边形对阻力系数降低是最有效的。因此改变边数的，对正16、18、20边形进行了cfd模拟，随着边数的增加，阻力系数越小。详见表5。
[0102]
表5不同边数导线阻力系数
[0103]
边数161820c
d
0.7650.7200.690
[0104]
三种低风压导线在风速大于25m/s时，都能起到降低阻力系数的作用，而在低风速时效果不明显，甚至阻力系数增大。
[0105]
对传统输电导线的简化发现，当等效粗糙度ke/d>1.198％s时，凹槽深处太多狭小而对流场几乎没有影响。对传统输电导线的几何模型进行简化，可以大幅减小网格划分的难度和网格数量，从而能更精确进行cfd模拟分析。
[0106]
阻力系数随凹槽的深度变化为先减小，后增大然后平稳。
[0107]
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。