管構件微風振動防治機理研究

李昌茂 楊映雯 文均容 蘭 英

（重慶科技學院 建筑工程學院，重慶401331）

我國幅員遼闊，能源資源和能源消費很不均衡。為了實現能源的有效利用，建設具有遠距離、大容量、低損耗輸電能力的特高壓輸電系統,是我國經濟社會協調發展的必然要求[1]。近年來隨著特高壓輸電工程的迅速發展，使用鋼管構件的輸電塔數量逐漸增加[2]。然而，當恒定風作用在圓截面構件上時會產生交替脫落的漩渦，這種上下交替產生的漩渦，在圓柱體上將產生一種上下交替的作用力，當漩渦脫落頻率與構件自振頻率接近時，會出現渦激共振的現象，電力工程上常稱為微風振動[3]。由于鋼管塔圓管構件長時間處于風速較低的環境，反復的振動會導致鋼管塔圓管構件螺栓連接松動和疲勞破壞[4]。

因此，基于微風振動的基本理論對鋼管塔圓管構件微風振動的防治機理研究具有非常重要的工程應用價值。楊靖波，李正，王朝景[4-9]多次采用風洞試驗的方式對特高壓鋼管塔構件微風振動特性及其抑振措施研究。本文基于微風振動的基本原理，建立了圓管構件的風洞試驗模型與數值模擬模型，采用風洞試驗與數值模擬的方式，共同對圓管構件的微風振動現象進行理論分析，研究其微風振動特性并探討鋼管構件微風振動的防治機理。

1 微風振動風洞試驗

1.1 微風振動風洞設定工況

風洞試驗工況設定模型的長度定為2200mm，圓管外徑為40mm。模型端部使豎向鉸接，利用ANSYS 軟件進行建模分析，得到自振頻率為20.94Hz。

當鋼管發生渦激共振時，自振頻率等于漩渦脫落頻率，而漩渦脫落主導頻率的近似計算公式為（1），可計算出構件渦激振動時對應的理論來流風速。

式中：fs為漩渦脫落頻率；U 為來流風速；D 為鋼管直徑，取為0.04m；St為斯托羅哈數。

試驗共測試了180 度角、120 度角、90 度角，三種不同布置角度的擾流板對微風振動防治措施的效果。布置方案如圖1 所示。

1.2 風洞試驗結果分析

漩渦脫落頻率與圓柱體的某階固有頻率接近時，發生渦激共振。對以上工況進行風洞試驗發現，當來流風速為4.767m/s，微風振動現象最為明顯，振幅最大。通過激光位移測定儀可獲得圓管構件發生微風振動時的位移曲線時程圖，其中圓管構件振幅為4.47mm，將圓管桿件位移的數據進行快速傅里葉變換，可以得出其振動頻率。得到圓管振動頻率為21.4Hz。

將以上三種工況進行試驗，經過調整風速，圓管構件有不同的最大位移，其風速與最大位移的關系如圖2 所示。

圖2 圓管構件附加擾流板

由以上試驗結果可以看出：（1）布置擾流板可以有效減小圓管構件的微風振動最大振幅。（2）擾流板布置與來流風速夾角為90 度時振幅為1.06mm，是三種工況中的最優工況，；擾流板布置與來流風速為120 度時，振幅為1.71mm；擾流板布置與來流風速為180 度時，振幅為3.16mm，是三種附加擾流板的工況中防治效果最差的一種工況。

2 微風振動數值模擬

2.1 微風振動風洞設定工況

本文數值模擬分析中，采用軟件Fluent18.2 版進行計算，二維雙精度求解器（64 位求解器）；設定工況與上一節風洞試驗相一致，導線直徑D＝40mm；單位質量長度為m＝1.084kg；橫向為鉸接，剛度為26188。本文計算步長t 為0.001s。

2.2 微風振動結果與分析

對以上工況進行數值計算，通過觀察其壓力云圖，可以發現當風吹過圓管時，圓管背后產生漩渦，如圖3 所示。

圖3 圓管數值模擬壓力云圖

這種漩渦被稱為“卡門渦流”。圓管背風出的漩渦上下交替產生，不斷地離開圓管體向后延伸，逐漸消失。

將升力系數及位移經快速傅里葉變換，得到對應的頻率，漩渦頻率fs與自振頻率fn相等且均為21.33Hz，表示漩渦脫落頻率被鎖定在鋼管構件自振頻率附近。

將以上三種工況進行計算分析。附加不同角度的擾流板對漩渦脫落的方式不同，改變了無擾流板圓管背后的良好且規律的旋渦脫落表現。

圖4 給出的升力系數頻率圖和圓管振動頻率圖中，可以看出，通過附加擾流板，改變了漩渦脫落的頻率。在來流風速不變的情況下，附加擾流板處的漩渦頻率fs1與未加擾流板處圓管構件的漩渦頻率fs不同，且頻率fs1明顯小于頻率fs，然而附加了擾流板的圓管構件的自振頻率fn與之前相差不大，導致漩渦頻率fs與自振頻率fn不同，不能產生微風振動現象。由以上試驗結果可以看出：（1）增加擾流板使渦街脫落頻率改變，在原風速情況下不能發生渦激共振。（2）布置不同角度的擾流板的升力系數幅值不同，在三種擾流板不同的工況中，升力系數幅值從大到小的排序為，90°大于120°大于180°

圖4 附加擾流板升力系數時程圖

3 結論

本文通過風洞試驗和數值模擬共同對特高壓鋼管構件微風振動特性和擾流板抑制措施進行了研究，分別對圓管構件以及附加不同擾流板位置的圓管構件進行風洞試驗和數值模擬，基本結論如下：（1）在來流風速不變的情況下，附加擾流板會使得漩渦脫落頻率減小，導致漩渦頻率fs與自振頻率fn不同，使其不產生渦激共振；（2）當附加圓管構件擾流板后，不產生渦激共振時，擾流板處的升力系數在一定范圍內幅值越大，對整個圓管構件的減振效果越好；（3）合理的擾流板布置方案可以有效減小圓管構件的微風振動現象，在三種不同布置角度下，在90 度布置擾流板的減振效果最好。