圓鋼管格構式塔架氣動力的數值模擬

游溢 晏致濤 陳俊帆 李文勝 何成 閆渤文

摘 要：輸電塔結構具有高柔、輕質和小阻尼的特性，因此風荷載是輸電塔結構的主要控制荷載.以蘇通大跨越輸電塔結構作為工程背景，開展了一系列的剛性節段模型風洞試驗，研究了在光滑均勻流作用下的圓鋼管格構式塔架氣動力特性.并基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）技術，采用大渦模擬（Large-eddy simulation，簡稱LES）方法分別對圓鋼管格構式塔架節段的順風向、橫風向和扭轉向風荷載特性進行計算，并將計算結果與實驗值以及各國規范進行了對比.此外，討論了湍流度分別為5%、10%、15%和20%四種情況下的三分力系數.結果表明，本文的數值模擬結果與各國規范及風洞試驗結果較為一致，且湍流度的變化對結構三分力系數的脈動成分有顯著影響.此外，從節段模型的表面風壓力分布情況來看，最大正壓出現在迎風面的主管正面和輔材相交節點的正面，最大負壓出現在主管的側面.通過渦量圖對節段模型流場結構分析發現，x向的渦量離散程度更高，而y和z向上渦量分布更加均勻連續.本文的研究成果對實際工程中的圓管截面格構式結構風荷載評估具有重要的參考價值.

關鍵詞：格構式塔架；大渦模擬；氣動力；輸電塔

中圖分類號：TM75，TU312.1 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2018）07—0054—07

Abstract： Due to the high flexibility， light self-weight and low damping ratio of the power transmission tower， wind loads are the dominant lateral loads at its design stage. This study conducted a series of rigid model tests on the aerodynamic forces of circular steel tubular lattice structures under smoothly uniform flow conditions in the wind tunnel laboratory， and the models were fabricated based on a super high-rise power transmission tower in Huainan-Nanjing-Shanghai UHVAC transmission line. The Large-eddy simulation（LES） of lattice structures were performed to simulate the aerodynamic forces in the longitudinal， transverse and lateral directions， and the results were compared to the corresponding specifications in the available wind codes or standards. In addition， the aerodynamic forces of lattice structures were simulated by using LES under the flow conditions with turbulence intensities of 5%， 10%， 15% and 20%. The results showed that the numerical results were in relatively reasonable agreement with the experimental measurements， and the incoming turbulence intensity had indispensable influences on the fluctuating components of the aerodynamic forces. Moreover， the maximum positive pressures were observed on the windward surface at the junction of the strut and the diagonal member， while the maximum negative pressures were recorded on the lateral surface of the strut. Furthermore， the vorticity analysis showed that the vorticity in the x-direction was more scattered while those in the y- and z- directions were more uniform and continuous. The findings of this study are of great use for evaluating the aerodynamic forces of circular steel tubular lattice structures in the practice constructions.

Key words： lattice towers；LES；aerodynamic force；transmission towers

格構式塔架由于具有受力合理、節省材料、風荷載體型系數小、回轉半徑大等結構優點，應用遍及輸送電、通訊信息以及廣播、電視信號傳送等各個領域.然而，格構式塔架輕質、高柔、小阻尼的結構特性，決定了風荷載是其設計中的主要控制性荷載[1-2].因此，研究格構式塔架的風荷載特性以及作用機理，可為設計提供荷載取值依據，對保證結構的安全具有重要意義.

國內外學者通過風洞試驗的方法對格構式塔架結構的風荷載特性進行了大量的研究.Holmes等[3-5]基于準定常假定，深入研究了順風向格構式塔架的風振響應.Bayar等[6]通過風洞試驗的方法，采用剛性模型高頻天平測力試驗，開展了對格構式塔架靜態風效應的研究.Celio等[7]基于試驗的塔架平均和脈動阻力系數，對比研究了風向角、擋風系數、遮蔽效應以及紊流度與阻力系數的關系.鄒良浩等[8]則開展了對輸電塔、通訊塔以及電視塔三種不同形式格構式塔架，在動力風荷載下三分力系數的研究.樓文娟、程志軍等[9-10]通過氣動彈性模型的風洞試驗，對格構式塔架的風振響應進行了研究.風洞試驗雖然能夠提供準確的氣動力系數，但參數化分析成本較高，并且無法給出流場結構特征.除采用風洞試驗研究外，數值模擬計算也成為了研究的重要手段之一.然而，目前采用數值風洞來模擬格構式塔架風荷載特性的文獻比較少見，謝華平等[11]通過CFD技術對角鋼格構式塔架進行數值模擬，分析了計算域、網格劃分、湍流模型和湍流強度等因素對塔架平均風壓的影響，但模擬的結果缺乏試驗的驗證.周志勇等[12]基于CFD技術采用雷諾時均法（RANS）對河南電視塔的體型系數進行了數值模擬.RANS方法的湍流模型中包含了人為的假定，不能完全反映實際的湍流運動特征.

為更好地適應目前計算機的計算能力，較真實和精確地反映湍流的運動、發展和耗散，本文采用大渦模擬法（LES）對格構式塔架進行數值模擬，研究圓管截面格構式塔架節段的靜風三分力系數，通過與相關實驗數據進行對比[13]，為實際工程提供一定的參考.

1 數值計算模型及工況

1.1 數值模型

計算域及模型尺寸如圖1所示，節段高度方向與向上的z方向一致，計算域高度與節段高度一致，取474 mm.其中，主材圓管直徑為D = 57 mm，橫桿和斜材的直徑分別為17 mm和20 mm.計算域入口邊界為速度入口，設定常流速U0 = 18.4 m/s，出口為壓力出口，上下邊界以及左右邊界為對稱邊界，桿件表面為無滑移墻面邊界（no-slip wall）.根據國內外相關圓柱繞流大渦模擬研究[14-15]，工程結構風荷載的大渦模擬宜采用一方程亞格子模型，例如動力Smagorinsky-Lilly模型，計算時間步長為5 × 10-4 s.

為在滿足阻塞比的情況下，盡可能地減少計算網格數，因此以節段模型底面中心為原點，計算域上下兩側各取20D，來流方向取20D，出流方向上為保證尾流的充分發展取為40D.由于橫桿、斜桿和主材（豎桿）之間交叉接觸的地方夾角較小，且三者又是不同直徑的圓截面桿件相交，要實現外流場結構化網格的劃分十分困難.另一方面，即使采用結構化網格也無法保證足夠高的網格質量，且可能存在網格分布方向與流體流向不一致時產生的偽耗散，故核心區域的網格采用的是非結構化網格，而核心區外的網格則采用的是結構化網格.為了保證計算結果的精度，通過加密核心區近壁面處的網格并增設棱柱型邊界層網格，來保證近壁面第一層網格y+≤1，從而確保取得誤差較小精度較高的計算結果.計算域網格劃分如圖2所示：

為了準確模擬來流風場的脈動風速譜特性，采用Huang等提出的Discretizing and Synthetic Random Flow Field Generation method （簡稱DSRFG）方法生成滿足卡門譜的入口湍流.該方法基于嚴格的理論推導，能產生滿足任意形式功率譜及各向異性的湍流脈動風速場，可調空間關聯性、通用性， 能夠嚴格滿足流體連續性條件，從而保證了大渦模擬計算的穩定性，易于并行化處理[16-17].模型前方的脈動風速譜如圖3所示，結果表明DSRFG生成的脈動風速譜和目標卡門譜吻合良好，準確地再現了風洞試驗的來流脈動風速譜特性.

1.2 計算工況

將豎直節段模型在光滑均勻流作用下（無湍流）的數值模擬結果與風洞試驗結果進行對比分析.同時還對同風速下，湍流度分別為5%、10%、15%和20%的工況進行模擬計算，討論研究湍流度對圓管截面格構式塔架三分力系數的影響，詳細計算工況如表1所示.

截斷模型由4根豎桿（主管），8根斜桿以及4根橫桿組成.由于各個桿件的截面尺寸不相同，故各個桿件在同一工況中的雷諾數也相互不同，各桿的雷諾數具體情況如表2所示.

2 計算結果及分析

2.1 數值模擬與試驗結果比較

CFD計算結果與文獻[11]中風洞試驗三分力的對比如表3所示.

從表3中可以看出，豎直節段模型的三分力系數與試驗值存在一定的差異，其中阻力系數CD與試驗值的誤差為9.4%，升力系數CL和扭轉系數CM均小于試驗值.分析造成二者誤差的原因，有以下幾點：

1）試驗模型在輔材相交的部分采用了方形鋼夾片進行連接固定，使得迎風面積略有增加，經計算會造成約3%的誤差；

2）一方面，試驗模型由于加工制作的關系，所有桿件尺寸不可能做到與設計完全一致，連接固定的地方也不可能完全嚴絲密縫且完全剛接，而數值模型卻是完全一致且在幾何上完全對稱的；另一方面，風洞試驗時模型的迎風角度不可能完全準確，可能出現較小的偏角.這兩方面的原因都會造成試驗結果的升力系數CL和扭轉系數CM比數值模擬偏大一些.

CFD計算結果與各國規范[18-24]的對比如圖4所示.

其中密實比的定義如下：

按照上述公式得出試驗模型的Φ為0.314.圖4中與CFD計算結果對比的規范值，取的是0°風向角下方形塔架體型系數與密實比Φ的關系曲線，從圖中能夠看出，本文的計算結果與規范IEC60826給定值最為接近.

2.2 湍流度對三分力系數的影響

圖5（a）（b）給出了模型的三分力系數隨來流湍流度增加的變化情況，從圖中可以看出，湍流度的變化對模型三分力系數均值的影響較小.湍流度的增大對模型三分力系數的脈動分量影響較大，湍流度的增大會導致模型三分力系數的脈動分量隨之變大，脈動幅值增大.

圖6給出了不同來流湍流度情況下模型三分力系數的功率譜，通過頻譜上的分析能夠更清楚地看到，三個方向的氣動力功率譜隨著頻率的增大先緩慢減小最后急劇減小.并且隨著湍流度的增加，在低頻部分結構三分力系數的脈動幅值逐漸增大.

將三分力功率譜S*i（f）按如下表達式進行歸一化處理，結果如圖6所示.

圖7表明，隨著湍流度的增加，功率譜峰值及其對應卓越頻率逐漸前移，且湍流度對阻力譜高頻部分影響顯著.

2.3 壓力分布云圖

圖8分別給出了模型迎風面和背風面的風壓系數分布云圖.從圖中可以看出，節段模型的迎風面受正壓，側風面和背面受負壓.其中，結構所受最大正風壓系數約為1.0，出現在迎風面的兩根主管正面和輔材相交的連接處，因為這兩個局部的相對過流截面較小，來流會在這兩個地方產生較大的風壓.而由于上游主管和輔材的遮擋效應，可以明顯地看出下游桿件迎風面的正風壓分布是小于上游桿件的.

結構所受的最大負壓出現在主管的側面，從圖8（b）中可以較清楚地看出，斜桿和水平橫桿對負壓的分布是有影響的，在主管無輔材的一側，負壓分布呈長條形，而在有輔材的一側，負壓分布呈橢圓形，在輔材的位置處負壓變小回收，表明流體的再附點提前了.就背風面而言，主管和輔材上的壓力分布并不十分規整，這是由于主管和側面斜桿的間距是不斷變化的，互相會對彼此的尾流渦脫產生影響，導致其壓力分布的不均勻性.

2.4 流場結構分析

在流場結構的分析中，渦量反映了旋渦的能量強度和方向，描述了速度矢量場的特性，因此渦量圖較速度分布云圖能夠更直觀地表達結構的渦脫特征，給出更多的流場結構信息，因此，可以通過渦量圖的分析來描述節段模型的流場結構特征.

圖9分別給出了模型在三個方向的渦量圖，可以清楚地看到流體在流經結構桿件時的附著和分離，并形成隨機脫落的旋渦.結果表明x向的渦量離散程度更高，y和z向上渦量相對連續性更高一些.

3 結 論

采用大渦模擬方法對圓管截面格構式塔架節段模型進行了數值模擬計算，同時為了研究來流湍流度對結構三分力系數的影響，對湍流度分別為5%、10%、15%和20%時的工況進行分析.通過數值模擬的手段，對結構的風壓分布、流場結構進行了更細致的研究，經過對比分析得到了以下的結論：

1）采用大渦模擬方法對格構式塔架節段模型進行數值模擬，能夠得到較為滿意的計算結果，與風洞的試驗值對比，阻力系數CD的誤差能夠控制在10%以內，并與規范IEC60826給定值最為接近，數值模擬計算的升力系數CL和扭轉系數CM均略小于試驗值.

2）來流湍流度的增加，對模型三分力系數的均值基本沒有影響，但脈動分量會隨之增加，即脈動幅值變大.同時，隨著湍流度的增加，三分力系數功率譜峰值對應的卓越頻率逐漸前移，且湍流度對功率譜高頻部分影響顯著.

3）通過對節段模型的壓力分布的分析發現，最大正壓出現在迎風面的主管正面和輔材相交節點的正面，最大負壓出現在主管的側面.

4）通過渦量圖對節段模型流場結構的分析發現，x向的渦量離散程度更高，y和z向上渦量相對連續性更高一些.

參考文獻

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