李丹煜，劉 彬，吳昊愷，徐萬海，王恩浩，李明鎏

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

隨著輸電線路規(guī)模的日益擴(kuò)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(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等自然災(zāi)害的侵襲。當(dāng)風(fēng)吹過輸電塔時(shí)，由于塔架的阻滯作用，會(huì)產(chǎn)生塔影干擾效應(yīng)，塔架周圍風(fēng)矢量的方向和大小會(huì)發(fā)生變化。尤其在高速、高湍流度的條件下，風(fēng)場更容易受到塔架結(jié)構(gòu)的干擾。因此，研究較高風(fēng)速下輸電塔的塔影干擾效應(yīng)，對(duì)確保結(jié)構(gòu)安全、提高氣象監(jiān)測的準(zhǔn)確性具有重要的工程意義。

現(xiàn)場實(shí)測是最直接的研究方法，然而實(shí)測耗時(shí)耗力，相關(guān)研究較為有限。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)場進(jìn)行過一系列實(shí)測[1-6]。英國國家海運(yùn)研究所測量了銳邊桿件正方形塔架的風(fēng)荷載[7]。何宏明等[8]實(shí)測分析了臺(tái)風(fēng)經(jīng)過期間，塔身所處位置的風(fēng)場特性及其動(dòng)力響應(yīng)特征。

風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)一塔狀結(jié)構(gòu)物的風(fēng)壓進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的平均風(fēng)壓系數(shù)與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果接近。Celio等[10]對(duì)通訊塔進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，并將結(jié)果和規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析。鄒良浩等[11]測量了輸電塔的基底彎矩、基底剪力時(shí)程，確定了輸電塔在不同風(fēng)向角時(shí)的風(fēng)載體型系數(shù)。劉石等[12]研制了輸電塔氣動(dòng)彈性試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，較好地再現(xiàn)了輸電塔體系在極限風(fēng)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(fēng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛，相對(duì)于實(shí)測和風(fēng)洞試驗(yàn)，在速度、便捷性和經(jīng)濟(jì)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(tái)風(fēng)作用下的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)。黨會(huì)學(xué)等[15]運(yùn)用 CFD 方法對(duì)三角形格構(gòu)式塔體結(jié)構(gòu)擋風(fēng)特征進(jìn)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(fēng)速比為輸出的數(shù)值計(jì)算方法。王勇等[17]利用單向流-固耦合法，計(jì)算了結(jié)構(gòu)表面受到的龍卷風(fēng)風(fēng)壓，并進(jìn)行了有限元分析。楊莉等[18]對(duì)極端風(fēng)況下的風(fēng)力機(jī)組建模，基于FLUENT研究了極端風(fēng)向變化情況下，塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)下游尾跡特性的影響。

本研究建立典型塔型輸電塔的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模型，在高速強(qiáng)風(fēng)條件下，對(duì)雙回路直線/耐張兩用塔、貓頭塔與鋼管塔3種輸電塔的風(fēng)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(fēng)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(duì)象，參照國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)建立輸電塔幾何模型。定義順流方向?yàn)閦向(或i方向)，垂直流速方向?yàn)閤向(或j方向)，沿塔高方向?yàn)閥向(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(fēng)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(diǎn)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(hào)的不同，所設(shè)流體域會(huì)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(biāo)記了輸電塔型的各個(gè)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(jì)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(duì)流體域進(jìn)行空間離散。以90°風(fēng)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(duì)塔架周圍的方形區(qū)域進(jìn)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(zhǔn)確捕捉桿件周圍較強(qiáng)的流動(dòng)分離現(xiàn)象，同時(shí)節(jié)省計(jì)算資源，設(shè)置三層棱柱層網(wǎng)格，運(yùn)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(biāo)尺寸設(shè)為0.035 m，塔身周圍網(wǎng)格目標(biāo)尺寸為1.5 m，外圍流場網(wǎng)格目標(biāo)尺寸設(shè)為8 m，而后進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分。體網(wǎng)格生成后，進(jìn)行光順處理，對(duì)畸變率較大的網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分或調(diào)整，確保棱柱層外大部分區(qū)域?yàn)橛?jì)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(gè)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(yàn)證

開展系統(tǒng)研究之前，首先對(duì)3種不同塔型輸電塔的計(jì)算網(wǎng)格開展無關(guān)性驗(yàn)證，以確保進(jìn)一步加密網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響較小。對(duì)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(duì)均勻來流流速為50 m/s、風(fēng)向角為90°的工況進(jìn)行模擬，并選取具有代表性的截面外緣桿件附近的風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比。表1～3為不同網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比可見，對(duì)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(xì)化，M2與M3之間的最大誤差不超過3%。綜合平衡計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間，3種塔型均選用相應(yīng)的M2網(wǎng)格進(jìn)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(fēng)速計(jì)算結(jié)果對(duì)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(yùn)用Realizablek-ε湍流模型[19]對(duì)Navier-Stokes方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)進(jìn)行封閉。與Jones等[20]提出的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3 鋼管塔不同網(wǎng)格風(fēng)速計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度，t為時(shí)間，k為湍流動(dòng)能，xi、xj表示笛卡爾坐標(biāo)，ui為xi方向的速度分量，μ為流體動(dòng)力黏度，μt為湍流黏度，ε為湍動(dòng)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(dòng)能，σk、σε分別為k方程和ε方程的普朗特?cái)?shù)，ν為流體速度，YM代表可壓縮湍流中的脈動(dòng)膨脹對(duì)整體耗散率的貢獻(xiàn)度，Sk與Sε為自定義源項(xiàng)，C1、C2、C1ε與C3ε為常數(shù)。

與平常的良態(tài)風(fēng)相比，極端強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)速剖面垂直方向速度梯度較小，湍流強(qiáng)度較大[8]，因此本研究的強(qiáng)來流風(fēng)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(duì)應(yīng)著15級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)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(fēng)場的空氣密度為1.181 45 kg·m-3，動(dòng)力黏度為1.855 08×10-5Pa·s，湍流強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)條件下，不同塔型輸電塔各截面的塔影干擾效應(yīng)，固定風(fēng)向角α=90°。在數(shù)值模擬中對(duì)殘差、輸電塔的整體受力情況及不同截面監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速變化進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)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(diǎn)的風(fēng)速變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。首先通過風(fēng)速云圖，定性分析初始風(fēng)向及風(fēng)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(dān)周圍的二維時(shí)間平均風(fēng)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(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)速變化較小。對(duì)于第一層橫擔(dān)，在迎風(fēng)側(cè)桿件上游一定范圍內(nèi)，順流方向風(fēng)速仍較接近50 m/s。上述三個(gè)橫隔面上，迎風(fēng)側(cè)桿件及其前沿大部分區(qū)域的橫流方向風(fēng)速均很低。隨著截面高度的提升，在橫流方向的高風(fēng)速區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，尤其在背風(fēng)側(cè)桿件處，風(fēng)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(fēng)速分布

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

圖4 雙回路直線/耐張兩用塔第三層橫擔(dān)及其相鄰截面的風(fēng)速分布

如圖4所示，對(duì)于第四層橫擔(dān)面之下的平面，其迎風(fēng)側(cè)桿件附近的順流方向風(fēng)速普遍低于初始風(fēng)速。同一側(cè)桿件上，低橫流方向風(fēng)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(fēng)側(cè)上的風(fēng)向受到影響同樣很小，但風(fēng)速顯著下降。

針對(duì)不同的截面，在外緣桿件及其外側(cè)0～30 cm的范圍進(jìn)行風(fēng)速定量監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)在順流方向風(fēng)速大小受影響較低。塔腿、塔身橫隔面以及第三層橫擔(dān)之下截面的監(jiān)測點(diǎn)選取在迎風(fēng)側(cè)桿件附近；而各層橫擔(dān)面的監(jiān)測點(diǎn)選擇在中心平臺(tái)迎風(fēng)側(cè)桿件附近。表4中列出了測點(diǎn)處各風(fēng)速分量的大小、二維風(fēng)速及其相對(duì)初始風(fēng)向的夾角、三維風(fēng)速以及監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)于基底中心點(diǎn)的坐標(biāo)?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)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(dān)的迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速相對(duì)于初始風(fēng)速的差距較小，結(jié)合風(fēng)速剖面圖，風(fēng)向受影響的范圍與程度均很小，表明初始風(fēng)場受塔架結(jié)構(gòu)的影響較小。但第三層橫擔(dān)的三維風(fēng)速明顯偏高。其余各橫擔(dān)處二維風(fēng)速均顯著低于初始風(fēng)速，塔影干擾較大。綜合以上結(jié)果，塔腿與塔身橫隔面迎風(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)場相比，塔腿橫隔面迎風(fēng)側(cè)桿件及其外圍的順流方向風(fēng)速接近于初始風(fēng)速，相應(yīng)區(qū)域的橫流方向風(fēng)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(fēng)側(cè)桿件周圍順流方向風(fēng)速明顯低于初始風(fēng)速，且存在較強(qiáng)的風(fēng)速變化梯度，相反，在背風(fēng)側(cè)桿件的局部位置形成更貼近于初始風(fēng)速的區(qū)域。而橫流方向上，與迎風(fēng)側(cè)相似，背風(fēng)側(cè)桿件周圍的風(fēng)速同樣較低，風(fēng)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(fēng)速分布

圖6 單回路貓頭塔的貓頭邊截面與頂截面的風(fēng)速分布

從圖6(a)和6(b)可見，兩處邊截面迎風(fēng)側(cè)桿件上的順流方向風(fēng)速均接近初始風(fēng)速，相應(yīng)位置的橫流方向風(fēng)運(yùn)動(dòng)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(fēng)速明顯低于50 m/s，橫流方向風(fēng)速較低的區(qū)域則分散分布于外圍桿件上。

結(jié)合風(fēng)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(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)向改變較?。欢頇M隔面背風(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)向改變較小，因而監(jiān)測點(diǎn)選在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。通過表5風(fēng)速大小的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于貓頭型輸電塔，塔腿橫隔面與貓頭邊截面的迎風(fēng)側(cè)桿件附近順流方向風(fēng)速和二維風(fēng)速最接近于初始風(fēng)速，風(fēng)向受影響程度極低。其余截面的順流方向風(fēng)速與二維風(fēng)速均顯著低于初始風(fēng)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(fēng)側(cè)桿件附近的塔影干擾最小，風(fēng)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(fēng)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(dān)截面周圍的二維時(shí)間平均風(fēng)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(dān)(第一至第三層)上，各截面迎風(fēng)側(cè)桿件上的順流方向風(fēng)速在54 m/s以上，高于初始風(fēng)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(fēng)速梯度更大，變化更為敏感，接近初始風(fēng)速的范圍小且極難捕捉。而由圖8所示，自第四層橫擔(dān)始，隨著高度的提升，中心平臺(tái)迎風(fēng)側(cè)桿件及其周圍趨近50 m/s的順流方向風(fēng)速范圍逐步擴(kuò)大。其中在第四層橫擔(dān)與第五層橫擔(dān)下截面的背風(fēng)側(cè)桿件附近，同樣出現(xiàn)大片接近初始風(fēng)速的順流方向風(fēng)區(qū)域。對(duì)于橫流方向而言，塔腿、塔身橫隔面的迎風(fēng)側(cè)桿件附近與各層橫擔(dān)中心平臺(tái)迎風(fēng)側(cè)桿件周圍的風(fēng)速值相對(duì)較低。而第五層橫擔(dān)下截面的背風(fēng)側(cè)桿件周圍出現(xiàn)范圍較大的低風(fēng)速區(qū)域，相應(yīng)位置上風(fēng)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(dān)的風(fēng)速分布

圖8 鋼管塔的高層橫擔(dān)及其相鄰截面的風(fēng)速分布

結(jié)合風(fēng)速分布圖，發(fā)現(xiàn)鋼管塔8個(gè)截面上迎風(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)向改變均非常小，因而監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)附近的順流方向風(fēng)速和二維風(fēng)速均與初始風(fēng)速相近，風(fēng)向所受影響也不顯著。結(jié)合以上風(fēng)速分布分析可知，第五層橫擔(dān)下截面的迎風(fēng)側(cè)桿件周圍趨近于初始風(fēng)速的順流方向風(fēng)速范圍最大，監(jiān)測點(diǎn)附近順流方向風(fēng)速更接近于50 m/s，因而最利于監(jiān)測點(diǎn)的選取。同時(shí)，該截面上所受的垂向風(fēng)影響也相對(duì)較小。因此，第五層橫擔(dān)下截面的迎風(fēng)側(cè)桿件附近的風(fēng)速監(jiān)測效果最佳。

表6 鋼管塔各截面外緣桿件附近的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，對(duì)均勻風(fēng)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(duì)輸電塔不同截面風(fēng)場的可視化處理及風(fēng)速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，確定了各截面風(fēng)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(duì)于3種不同塔型的輸電塔，塔腿或塔身橫隔面迎風(fēng)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(duì)高層更少，構(gòu)造更為簡單，風(fēng)受到的擾動(dòng)較弱造成的。在實(shí)際工程中，宜將氣象監(jiān)測裝置安裝在低層截面的迎風(fēng)側(cè)桿件附近，以保證風(fēng)速測量的準(zhǔn)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(fēng)速梯度更大，變化更為劇烈，不利于風(fēng)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(dān)，及其相鄰截面的迎風(fēng)側(cè)桿件附近。因此，需要針對(duì)具體的塔型，在塔影干擾較小的各截面中，選擇周圍風(fēng)速梯度更小的截面進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測。