輸電塔塔型對氣象監(jiān)測塔影干擾效應(yīng)影響分析

李丹煜，劉 彬，吳昊愷，徐萬海，王恩浩，李明鎏

(1.中國電力科學研究院有限公司,北京 100192；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

隨著輸電線路規(guī)模的日益擴大，輸電塔逐漸向高塔身方向發(fā)展，使結(jié)構(gòu)更易遭受臺風、龍卷風等自然災(zāi)害的侵襲。當風吹過輸電塔時，由于塔架的阻滯作用，會產(chǎn)生塔影干擾效應(yīng)，塔架周圍風矢量的方向和大小會發(fā)生變化。尤其在高速、高湍流度的條件下，風場更容易受到塔架結(jié)構(gòu)的干擾。因此，研究較高風速下輸電塔的塔影干擾效應(yīng)，對確保結(jié)構(gòu)安全、提高氣象監(jiān)測的準確性具有重要的工程意義。

現(xiàn)場實測是最直接的研究方法，然而實測耗時耗力，相關(guān)研究較為有限。國內(nèi)外學者對登陸臺風風場進行過一系列實測[1-6]。英國國家海運研究所測量了銳邊桿件正方形塔架的風荷載[7]。何宏明等[8]實測分析了臺風經(jīng)過期間，塔身所處位置的風場特性及其動力響應(yīng)特征。

風洞試驗是當前國家標準和規(guī)范中相關(guān)參數(shù)選取的重要依據(jù)。Watakabe等[9]分別采用現(xiàn)場測量和風洞試驗對一塔狀結(jié)構(gòu)物的風壓進行對比研究，發(fā)現(xiàn)風洞試驗得到的平均風壓系數(shù)與現(xiàn)場實測結(jié)果接近。Celio等[10]對通訊塔進行風洞試驗，并將結(jié)果和規(guī)范進行對比分析。鄒良浩等[11]測量了輸電塔的基底彎矩、基底剪力時程，確定了輸電塔在不同風向角時的風載體型系數(shù)。劉石等[12]研制了輸電塔氣動彈性試驗?zāi)Ｐ停^好地再現(xiàn)了輸電塔體系在極限風荷載下的倒塌破壞情況。陳建穩(wěn)等[13]利用不同數(shù)值模型研究了風載、冰雪載荷、地震載荷和導(dǎo)線及鐵塔自重載荷作用下輸電塔的內(nèi)力和變形情況。

近年來，計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用越來越廣泛，相對于實測和風洞試驗，在速度、便捷性和經(jīng)濟性方面具有明顯優(yōu)勢。徐旭等[14]建立了高聳鋼塔結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，研究該結(jié)構(gòu)在臺風作用下的動力時程響應(yīng)。黨會學等[15]運用 CFD 方法對三角形格構(gòu)式塔體結(jié)構(gòu)擋風特征進行分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中最大體型系數(shù)偏低。肖凱等[16]提出一種以無量綱風速比為輸出的數(shù)值計算方法。王勇等[17]利用單向流-固耦合法，計算了結(jié)構(gòu)表面受到的龍卷風風壓，并進行了有限元分析。楊莉等[18]對極端風況下的風力機組建模，基于FLUENT研究了極端風向變化情況下，塔影效應(yīng)對風力機下游尾跡特性的影響。

本研究建立典型塔型輸電塔的計算流體動力學仿真模型，在高速強風條件下，對雙回路直線/耐張兩用塔、貓頭塔與鋼管塔3種輸電塔的風場開展數(shù)值模擬研究，以確定受塔影干擾效應(yīng)影響最弱的橫截面。研究成果可為架空輸電線路輸電塔的風場氣象監(jiān)測提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

選取雙回路直線/耐張兩用塔(5C3-SZCK)、單回路貓頭塔(5A1-5B1-ZM1)與鋼管塔(55GT1-SSJ1)3種輸電塔型作為研究對象，參照國家電網(wǎng)標準圖冊建立輸電塔幾何模型。定義順流方向為z向(或i方向)，垂直流速方向為x向(或j方向)，沿塔高方向為y向(或k方向)，流體域如圖1(a)所示。以雙回路直線塔為例，固定風向角α=90°，流體域的順流方向長度設(shè)為100 m，橫流方向?qū)挾仍O(shè)為60 m，高度設(shè)為90 m。塔架底座中心點位于流體域入口邊界下游20 m，距離流體域兩側(cè)邊界均為30 m處。根據(jù)輸電塔型號的不同，所設(shè)流體域會存在差異。圖1(b)～1(d)分別為雙回路直線/耐張兩用塔、貓頭塔以及鋼管塔的主視圖，圖中標記了輸電塔型的各個截面，不同塔型的截面數(shù)量及分布均存在一定差異。

圖1 輸電塔繞流計算域及各截面劃分

1.2 網(wǎng)格劃分

由于輸電塔架外形較為復(fù)雜，選擇混合型網(wǎng)格的生成方法，采用切割體網(wǎng)格對流體域進行空間離散。以90°風向角為例，利用表面包面技術(shù)、表面重構(gòu)技術(shù)、切割體網(wǎng)格技術(shù)劃分的網(wǎng)格切片圖如圖2所示。采用自適應(yīng)網(wǎng)格方法，由于只關(guān)注輸電塔附近的流場，因此僅需對塔架周圍的方形區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以此提高求解的精度。地面附近的流場變量梯度變化較大，為準確捕捉桿件周圍較強的流動分離現(xiàn)象，同時節(jié)省計算資源，設(shè)置三層棱柱層網(wǎng)格，運用Two-Layer全y+壁面處理方法，距離壁面最近的第一層網(wǎng)格高度滿足y+=300 (Δy=0.005 7 m)，以模擬壁面附近的湍流邊界層。在網(wǎng)格劃分前，將塔身表面的網(wǎng)格目標尺寸設(shè)為0.035 m，塔身周圍網(wǎng)格目標尺寸為1.5 m，外圍流場網(wǎng)格目標尺寸設(shè)為8 m，而后進行網(wǎng)格自動劃分。體網(wǎng)格生成后，進行光順處理，對畸變率較大的網(wǎng)格進行重新劃分或調(diào)整，確保棱柱層外大部分區(qū)域為計算性能較好的六面體網(wǎng)格，提高整體網(wǎng)格的質(zhì)量。網(wǎng)格劃分過程采用并行的方式，使用多個核心加速網(wǎng)格的生成。

圖2 輸電塔周圍切割體網(wǎng)格切片圖

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

開展系統(tǒng)研究之前，首先對3種不同塔型輸電塔的計算網(wǎng)格開展無關(guān)性驗證，以確保進一步加密網(wǎng)格對數(shù)值模擬結(jié)果的影響較小。對于每種輸電塔，分別生成3套網(wǎng)格，其中M1網(wǎng)格較為稀疏，M2為中等密度的網(wǎng)格，M3的網(wǎng)格密度最高。利用不同的網(wǎng)格對均勻來流流速為50 m/s、風向角為90°的工況進行模擬，并選取具有代表性的截面外緣桿件附近的風速進行對比。表1～3為不同網(wǎng)格計算結(jié)果的對比。對比可見，對于所考慮的3種不同塔型的輸電塔，M1與M2之間的最大誤差為10%，隨著網(wǎng)格的細化，M2與M3之間的最大誤差不超過3%。綜合平衡計算精度與計算時間，3種塔型均選用相應(yīng)的M2網(wǎng)格進行后續(xù)的數(shù)值模擬研究。

表1 雙回路直線/耐張兩用塔不同網(wǎng)格風速計算結(jié)果對比

2 湍流模型的選取

輸電塔周圍流場采用三維非定常雷諾平均Navier-Stokes方程模擬。運用Realizablek-ε湍流模型[19]對Navier-Stokes方程中的雷諾應(yīng)力項進行封閉。與Jones等[20]提出的標準k-ε模型不同， Realizablek-ε模型包含了湍流黏度的變換方程，極大地提高了壁面附近低雷諾數(shù)區(qū)域的湍流模擬精度。該模型控制方程：

表2 單回路貓頭塔不同網(wǎng)格風速計算結(jié)果對比

表3 鋼管塔不同網(wǎng)格風速計算結(jié)果對比

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度，t為時間，k為湍流動能，xi、xj表示笛卡爾坐標，ui為xi方向的速度分量，μ為流體動力黏度，μt為湍流黏度，ε為湍動能耗散率，Pk和Pb分別表示由平均速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍動能，σk、σε分別為k方程和ε方程的普朗特數(shù)，ν為流體速度，YM代表可壓縮湍流中的脈動膨脹對整體耗散率的貢獻度，Sk與Sε為自定義源項，C1、C2、C1ε與C3ε為常數(shù)。

與平常的良態(tài)風相比，極端強風的風速剖面垂直方向速度梯度較小，湍流強度較大[8]，因此本研究的強來流風可近似看作均勻流。流場入口邊界采用速度入口，即u1=50 m/s,u2=0,u3=0，均勻來流對應(yīng)著15級強臺風風速；流場出口邊界設(shè)置為壓力出口，即?u1/?x=0，?u2/?x=0，?u3/?x=0,pref=0；輸電塔的表面采用無滑移邊界，即u1=u2=u3=0；地面和上邊界(?u1/?z=0，?u2/?z=0，u3=0)及兩側(cè)邊界(?u1/?y=0，u2=0，?u3/?y=0)設(shè)置為自由滑移邊界。風場的空氣密度為1.181 45 kg·m-3，動力黏度為1.855 08×10-5Pa·s，湍流強度為20%。

3 結(jié)果分析

3.1 雙回路直線/耐張兩用塔

本部分主要討論高速、高湍流度的強風條件下，不同塔型輸電塔各截面的塔影干擾效應(yīng)，固定風向角α=90°。在數(shù)值模擬中對殘差、輸電塔的整體受力情況及不同截面監(jiān)測點的風速變化進行監(jiān)控，當殘差降低至設(shè)置的最低水平，輸電塔整體受力及不同截面監(jiān)測點的風速變化達到穩(wěn)定狀態(tài)后，再對結(jié)果進行分析。首先通過風速云圖，定性分析初始風向及風速受干擾較低的截面區(qū)域。雙回路直線/耐張兩用塔的塔腿橫隔面、塔身橫隔面和各層橫擔周圍的二維時間平均風速場分量剖面圖如圖3～4所示。

從圖3可發(fā)現(xiàn)，塔腿與各層塔身橫隔面迎風側(cè)桿件附近的風速變化較小。對于第一層橫擔，在迎風側(cè)桿件上游一定范圍內(nèi)，順流方向風速仍較接近50 m/s。上述三個橫隔面上，迎風側(cè)桿件及其前沿大部分區(qū)域的橫流方向風速均很低。隨著截面高度的提升，在橫流方向的高風速區(qū)域面積逐漸擴大，尤其在背風側(cè)桿件處，風向受到的影響將愈發(fā)顯著。

圖3 雙回路直線/耐張兩用塔的塔腿與塔身橫隔面風速分布

在塔架的橫擔及其相鄰高度的截面上，塔架結(jié)構(gòu)對初始風場的干擾程度增強。由圖4可知，順流方向風速遠低于50 m/s的區(qū)域明顯擴大并基本覆蓋了橫擔外圍桿件。同時順流方向風速分層較為密集，表明風速變化較為敏感。在中心平臺迎風側(cè)外緣，各橫擔均形成較集中的低橫流方向風速區(qū)域，而在中心平臺兩側(cè)的外伸部分，高橫流方向風速的影響程度有所加強。

圖4 雙回路直線/耐張兩用塔第三層橫擔及其相鄰截面的風速分布

如圖4所示，對于第四層橫擔面之下的平面，其迎風側(cè)桿件附近的順流方向風速普遍低于初始風速。同一側(cè)桿件上，低橫流方向風速涵蓋的范圍較大。因此與塔腿、塔身橫隔面類似，該截面迎風側(cè)上的風向受到影響同樣很小，但風速顯著下降。

針對不同的截面，在外緣桿件及其外側(cè)0～30 cm的范圍進行風速定量監(jiān)測，監(jiān)測點在順流方向風速大小受影響較低。塔腿、塔身橫隔面以及第三層橫擔之下截面的監(jiān)測點選取在迎風側(cè)桿件附近；而各層橫擔面的監(jiān)測點選擇在中心平臺迎風側(cè)桿件附近。表4中列出了測點處各風速分量的大小、二維風速及其相對初始風向的夾角、三維風速以及監(jiān)測點相對于基底中心點的坐標。可以發(fā)現(xiàn)，對于雙回路直線塔，其塔腿橫隔面、兩層塔身橫隔面以及第三層橫擔的迎風側(cè)風速相對于初始風速的差距較小，結(jié)合風速剖面圖，風向受影響的范圍與程度均很小，表明初始風場受塔架結(jié)構(gòu)的影響較小。但第三層橫擔的三維風速明顯偏高。其余各橫擔處二維風速均顯著低于初始風速，塔影干擾較大。綜合以上結(jié)果，塔腿與塔身橫隔面迎風側(cè)桿件附近的風速監(jiān)測效果較佳。

表4 雙回路直線/耐張兩用塔各截面外緣桿件附近的風速監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 單回路貓頭塔

單回路貓頭塔中的塔腿橫隔面、塔身橫隔面與貓頭部分各層截面周圍的平均風速場分量剖面分別如圖5和圖6所示。從圖5(a)和5(b)觀察到，與初始風場相比，塔腿橫隔面迎風側(cè)桿件及其外圍的順流方向風速接近于初始風速，相應(yīng)區(qū)域的橫流方向風速也普遍較低。如圖5(c)和5(d)所示，與雙回路直線塔不同，該型的塔身橫隔面迎風側(cè)桿件周圍順流方向風速明顯低于初始風速，且存在較強的風速變化梯度，相反，在背風側(cè)桿件的局部位置形成更貼近于初始風速的區(qū)域。而橫流方向上，與迎風側(cè)相似，背風側(cè)桿件周圍的風速同樣較低，風向受到的干擾非常弱。

圖5 單回路貓頭塔的塔腿、塔身橫隔面的風速分布

圖6 單回路貓頭塔的貓頭邊截面與頂截面的風速分布

從圖6(a)和6(b)可見，兩處邊截面迎風側(cè)桿件上的順流方向風速均接近初始風速，相應(yīng)位置的橫流方向風運動也并不顯著。而由圖6(c)和6(d)可知，貓頭頂截面外圍的順流方向風速明顯低于50 m/s，橫流方向風速較低的區(qū)域則分散分布于外圍桿件上。

結(jié)合風速分布圖，發(fā)現(xiàn)塔腿橫隔面、貓頭邊截面以及頂截面迎風側(cè)桿件附近的風向改變較小；而塔身橫隔面背風側(cè)桿件附近的風向改變較小，因而監(jiān)測點選在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。通過表5風速大小的對比可發(fā)現(xiàn)，對于貓頭型輸電塔，塔腿橫隔面與貓頭邊截面的迎風側(cè)桿件附近順流方向風速和二維風速最接近于初始風速，風向受影響程度極低。其余截面的順流方向風速與二維風速均顯著低于初始風速，塔影干擾較大。綜合以上結(jié)果，塔腿橫隔面與貓頭邊截面的迎風側(cè)桿件附近的塔影干擾最小，風速監(jiān)測效果較佳。

表5 單回路貓頭塔的各截面外緣桿件附近的風速監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3 鋼管塔

鋼管塔中的塔腿橫隔面、塔身橫隔面與各層橫擔截面周圍的二維時間平均風速場分量剖面分別如圖7和圖8所示。從圖7觀察到，塔腿、塔身橫截面與較低層橫擔(第一至第三層)上，各截面迎風側(cè)桿件上的順流方向風速在54 m/s以上，高于初始風速。相比雙回路直線塔與單回路貓頭塔的角鋼，鋼管塔的圓鋼外沿的風速梯度更大，變化更為敏感，接近初始風速的范圍小且極難捕捉。而由圖8所示，自第四層橫擔始，隨著高度的提升，中心平臺迎風側(cè)桿件及其周圍趨近50 m/s的順流方向風速范圍逐步擴大。其中在第四層橫擔與第五層橫擔下截面的背風側(cè)桿件附近，同樣出現(xiàn)大片接近初始風速的順流方向風區(qū)域。對于橫流方向而言，塔腿、塔身橫隔面的迎風側(cè)桿件附近與各層橫擔中心平臺迎風側(cè)桿件周圍的風速值相對較低。而第五層橫擔下截面的背風側(cè)桿件周圍出現(xiàn)范圍較大的低風速區(qū)域，相應(yīng)位置上風向受到的干擾非常弱。

圖7 鋼管塔的塔腿、塔身橫截面與較低層橫擔的風速分布

圖8 鋼管塔的高層橫擔及其相鄰截面的風速分布

結(jié)合風速分布圖，發(fā)現(xiàn)鋼管塔8個截面上迎風側(cè)桿件附近的風向改變均非常小，因而監(jiān)測點選在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。通過表6可發(fā)現(xiàn)，各截面在監(jiān)測點附近的順流方向風速和二維風速均與初始風速相近，風向所受影響也不顯著。結(jié)合以上風速分布分析可知，第五層橫擔下截面的迎風側(cè)桿件周圍趨近于初始風速的順流方向風速范圍最大，監(jiān)測點附近順流方向風速更接近于50 m/s，因而最利于監(jiān)測點的選取。同時，該截面上所受的垂向風影響也相對較小。因此，第五層橫擔下截面的迎風側(cè)桿件附近的風速監(jiān)測效果最佳。

表6 鋼管塔各截面外緣桿件附近的風速監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

采用三維計算流體動力學的方法，對均勻風荷載作用下輸電塔的繞流場開展了數(shù)值模擬研究。通過對輸電塔不同截面風場的可視化處理及風速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，確定了各截面風速變化較小的區(qū)域，并分析了3種典型塔型工況下輸電塔的塔影干擾效應(yīng)。

對于3種不同塔型的輸電塔，塔腿或塔身橫隔面迎風側(cè)桿件附近的塔影干擾效應(yīng)一般較弱，很可能是由于塔架低層截面附近的桿件數(shù)量相對高層更少，構(gòu)造更為簡單，風受到的擾動較弱造成的。在實際工程中，宜將氣象監(jiān)測裝置安裝在低層截面的迎風側(cè)桿件附近，以保證風速測量的準確性。相比于雙回路直線/耐張兩用塔和單回路貓頭塔，鋼管塔截面周圍的風速梯度更大，變化更為劇烈，不利于風速的穩(wěn)定采集。鋼管塔塔影干擾較弱的位置也可能出現(xiàn)在更高層的橫擔，及其相鄰截面的迎風側(cè)桿件附近。因此，需要針對具體的塔型，在塔影干擾較小的各截面中，選擇周圍風速梯度更小的截面進行風速監(jiān)測。