輸電塔在風雨耦合作用下的動力響應分析

(成都理工大學 四川 成都 610059)

隨著經濟的發展，人們的環保和科學進步的意識增強，在工業上電力作為經濟建設和支撐人民生活的支柱產業也發生著巨大的變化，發展電力系統也成了電力工業發展的必然趨勢。經過文獻的查閱目前輸電塔的研究工作主要集中在抗暴風和強振上，在風雨耦合上相對較少。因此輸電塔在風雨耦合作用下的動力響應分析是非常重要的。其得到的結果也可以為輸電塔設計和后期維護作為參考以減少巨大的損失和事故。

一、風雨荷載

風荷載是空氣在氣壓的變化下相對地面的運動。風速越大對結構產生的壓力也越大，嚴重時甚至會造成結構的變形或破壞，特別是對于特高壓直流輸電塔由于其高度高、柔度大，對于風荷載的作用更加敏感。風荷載屬于隨機荷載不隨時間而變化。在輸電塔中任一點，任一高度的風速總是為平均風速和脈動風速之和。其中平均風速為：

脈動風速隨機的，取脈動風速譜為不同高度所測得的平均值，其中譜密度可以寫為：

式中，w為每平方米的風力大小，γ為容重，g為重力加速度，V為風速的大小。將其分為平均風壓和脈動風壓之和則為；

二、雨荷載

在重力作用下，雨滴自由下落過程中當速度達到某一值時，雨滴處于平衡狀態。此時雨滴勻速降落。這時候的雨速度則為雨的末速度V1。經過文獻的查閱雨滴的末速度與雨滴最大截面尺寸有關。

根據碰撞定理雨滴的沖擊力也可以由以下公式表示

式中n為雨滴單位體積內的雨滴數，ρ為雨滴密度Vs為雨滴碰撞前的末速度b為受沖擊荷載的結構構件截面寬度。

三、輸電塔體系模擬

本文主的靜態分析主要采用ANSYS來完成，首先需要模擬輸電塔模型建立有限元然后進行計算，本文采用LINK10單元來建立輸電塔有限元模型，通過約束輸電塔底部的所有節點來模擬地面對輸電塔的約束。建立好輸電塔的幾何模型后，選擇適宜分析的網格大小對輸電塔進行網格劃分。在輸電塔有限元模型建立完成后將輸電塔導入ICEM軟件中進行網格檢測和修補異性網格減少計算誤差。最后將輸電塔的有限元模型導入到FLUENT中。通過FLUENT中風雨場模擬來追中雨滴的軌跡。

(一)風場模擬

通過FLUENT對輸電塔的風雨場進行模擬，首先計算流場達到收斂，計算出純風作用下的風壓荷載，然后在流場上面設置雨滴為重力作用下的自由下降。其中風雨荷載可以通過前面的式子計算得出。風場選用RNGk-ε湍流模型。由于風速為隨機風速，通過用戶自定義函數UDF來實現風場的入口。

(二)雨場模擬

采用0.01～0.6mm的雨滴直徑方位，將雨滴設置為DPM的離散相，將雨場的高度設置為50米，盡可能模擬雨滴達到平衡狀態時的末速度。對雨滴的下落我們設置為面釋放，水平速度設置為零，將雨滴撞擊的表面和其他壁面設置為逃逸。即為當雨滴在碰撞到輸電塔時即停止軌道的運行，并記錄撞擊瞬間的基本信息。在FLUENT中設置為兩相相互影響。以便貼近實際的工況。

由于FLUENT只能追蹤雨滴的運動軌跡，因此需要在雨滴撞擊面建立一個檢測面將雨滴沖擊輸電塔之前的運動狀況記錄下來，最后將數據導入到ANSYS中，將荷載數據導入到輸電塔的撞擊面，通過ANSYS的求解模塊進行求解。輸電塔在風雨耦合作用下的動力響應的整個流程如下：