垭口地貌要素对风速分布规律影响的风洞试验研究

张宏杰，赵金飞，蔡达章，牛华伟

（1.中国电力科学研究院，北京 100055；2.福建省电力勘测设计院，福州 350003；3.福建省送变电工程公司，福州 350013；4.湖南大学 风工程试验研究中心，长沙 410082）

0 引 言

当气流流入垭口峡谷中时，从开阔区进入狭窄区，流区压缩，气流向中心聚集，流线幅合产生狭管效应，使得风速大幅度增加［1］。穿行于其间的输电线路，在风荷载的作用下，风致倒塔及风偏闪络事故时有发生。文献［1］中记载，1961年1月4日晚位于金沙江与小江分水岭上的53号带拉线钢筋混凝土直线双杆被大风吹倒，造成东川铜矿停电7天，淹没竖井2个、平井1个，经济损失惨重。1996年3月25日，220kV小云I回线39号塔A相导线被暴风吹动，悬垂绝缘子串摇摆超过设计风偏角，使塔头空气间隙减小，造成导线对塔身放电闪络事故。根据当地气象资料进行的事故分析显示，这些事故都与狭管效应产生的局地瞬时大风直接相关。由此可见，研究垭口地貌下的风剖面分布规律，对于保障输电线路的安全运行意义重大。

为考虑地形因素对风速的影响，相关设计规范多采用修正系数的方法，在平地风速的基础上取得复杂地形条件下的设计风速。其定义为实测风速和来流参考风速的比值，即：

式中：η为风速修正系数；VTz为离山体表面z高度处测点的实测风速；VCz为离地面z高度处的远方来流参考风速。

国内外学者对山地风场风速修正方面的研究工作已经很多。Jackson［2］最早于上世纪70年代提出了不考虑流动分离的二维山丘加速效应的解析算法，Kaimal在其研究中进一步考虑了流动分离造成的影响［3］。Miller通过风洞试验研究了12个连续二维山丘山地风场特性［4］。随着流体仿真和计算机硬件的不断发展，Taylor运用边界层数值模拟计算提出了可以考虑山地粗糙度影响的风速加速效应的“原始算法”［5］。李正良通过数值模拟，提出了山地平均风加速比计算的修正算法［6］。孙毅进一步通过风洞试验，对山地的脉动风特性进行了研究，并提出了新的脉动风及平均风分布模型［7］。魏奇科重点针对陡坡山地的风速加速效应进行了研究，提出了山地风对数率计算模型，并指出其比指数率计算模型能更好地描述山地近地风加速效应［8］。

在针对山地地形风场特性的研究中，以单个二维或三维山丘居多，而对由两个三维山丘组成的垭口地貌研究较少。陈政清对山区峡谷的风场特性风洞试验研究表明，峡谷内不同位置处的平均风剖面分布具有明显不均匀性，不能用统一的剖面形式描述，且应综合考虑测点高度和两侧山体地形的影响［9］。庞加斌阐明了山区峡谷风速主要受峡谷风、越山风和遮挡效应的影响［10］。王璋奇采用CFD针对垭口地貌下山包顶部的风速修正系数随两山间距和山体坡度的变化规律进行了探讨［11］。

本文旨在借助风洞试验，测量多个三维垭口模型不同位置处的风剖面，在试验数据分析的基础上，探讨山丘坡度、谷口宽度、及山丘高度这三个垭口地貌要素，对垭口不同位置处的风速修正系数影响规律及其内在联系。

1 垭口风速分布规律风洞试验研究

1.1 垭口模型参数化

为便于开展风洞试验研究，标准化制作三维垭口模型，依据三维垭口的坡度、高度和谷口宽度，采用如公式（2）所示的正弦曲线对其进行了参数化，其横断面如图1所示。

那时候他们唯一的荤菜就是炒鸡蛋，吃的最多的就是白菜和土豆。尽管如此，一家人吃饭的时候总是其乐融融，互相照顾着彼此。

其中：H为山体高度，Lh为山高一半时到山峰的距离，山体坡度s＝H／（2Lh）。

图1 参数化的垭口模型Fig.1 Parameters of col model

1.2 垭口模型制作

研究选取了4种不同的垭口地貌，其原型最大高度100m，考虑到HD－2风洞截面的实际尺寸和试验精度的需要，最终拟定模型制作的比例为1／500，保证风洞的堵塞比在5%左右或更小，由此得到各试验模型的具体尺寸，见表1。如表1所示，改变垭口地貌两个三维山丘模型的高度、坡度及谷口宽度，对上述地貌因素同风剖面分布规律之间的联系进行研究。

1.3 试验流场调试

风洞试验在湖南大学HD－2边界层风洞中进行，采用“尖劈＋粗糙元”的方法模拟了B类流场。风速测试选用的仪器为澳大利亚TFI眼镜蛇探针，在步进电机控制的控制下可精确完成不同高度处的风速测量。

表1 风洞试验模型尺寸Table 1 Size of wind tunnel test model

根据微地形风洞试验的需要，选用的湍流场风场类型为B类，在风洞中采用被动模拟方法——“尖劈＋粗糙元”方法模拟了相应的风场。风洞内模拟的B类风场平均风速剖面曲线如图2所示，与根据建筑结构荷载规范公式计算的目标值曲线符合良好。

图2 风洞内模拟的B类风场平均风速剖面曲线Fig.2 Wind speed profile of type B simulated in wind tunnel

1.4 试验工况

试验过程中，针对上文4种不同的三维垭口模型YK－1～YK－4，分别对山谷中轴线和山脊中轴线不同位置处的竖向风剖面进行了测试，测点分布如图3所示。风洞试验时的典型工况示例照片如图4所示。

图3 测点分布示意图Fig.3 Test point distribution diagram

图4 风洞试验典型工况示例Fig.4 Typical working condition of wind tunnel test

2 描述风速分布规律的目标函数构建

为描述垭口地貌要素对风速分布规律的内在联系，在绘制风剖面曲线的基础上，还需要构建包含地貌要素参数的目标函数。因此，需要探讨有哪些地貌要素对风加速效应有显著影响。对具有不同地貌要素参数的风洞试验结果进行对比分析，可以明确不同的参数对风速分布规律的影响。故首先选取YK－1～YK－4垭口模型在山谷中轴线和山脊中轴线10个不同位置处的最大风速修正系数ηmax进行分析，其分布变化规律如图5所示。

如图5所示，山谷中轴线上的加速效应以x／Lh＝0处最为显著，山脊中轴线上的加速效应以两山丘山顶处最为显著，且山顶处的加速效应要强于山谷。图5还显示，山谷中轴线上的ηmax同时受到山丘坡度和谷口宽度的影响；而山顶处的ηmax基本不受两山丘间距的影响，只随坡度的增大而增大。

图5 垭口不同位置处最大风速修正系数ηmaxFig.5 ηmaxof col at different locations

Taylor＆Lee在其研究中已经给出了山顶最大加速比ΔSmax与任意高度z处的加速比满足下式（其中A、B为待定系数）：

其中C1、C2为待定系数，D为谷口断面两最高点之间的距离为谷口两侧山丘的平均坡度为谷口两侧山丘的平均高度为两山丘与的平均值。

下文将对风洞试验测得的山谷及山脊中轴线上不同高度处的风速分布规律进行分析，并在此基础上拟合山谷与山脊中轴线上的风速修正系数计算公式。

3 山谷中轴线风速分布规律

3.1 不同位置风速分布规律对比

图5显示，YK－3垭口模型的ηmax最为不利，其山谷中轴线上不同位置处的风速修正系数沿无量纲高度分布如图6所示。

图6主要反映了以下规律：（1）x／Lh＝0处峡谷风加速效应最为显著，风速修正系数最大达到了1.328，与平地风速相比，峡谷风风速增大了约33%，远大于输电线路设计规范提高10%的风速取值。（2）随着无量纲高度增加，风速修正系数呈减小趋势。（3）关于山脊中轴线对称的两点，下风侧风速大于上风侧风速，说明上、下风侧的流线幅合程度不一致，且下风侧流线幅合程度要强于上风侧。这种现场产生的原因可能在于，当山谷中的气流绕过山体时，发生了流动分离，有更多的气流“拥挤”到山谷中轴线附近，造成了下游流线幅合程度较上游有所增强。

图6 YK－3山谷中轴线上η随无量纲高度变化曲线Fig.6 η vs nondimensional height curves of YK－3at the mountain valley axis

3.2 山丘坡度的影响

为探讨山丘坡度对山谷中轴线上风速分布规律的影响，在图7中对YK－1和YK－3的试验结果进行了对比。图7显示，坡度由0.1增大为0.3后，山谷中轴线上各位置处的风速修正系数均明显增大。

图7 坡度对山谷中轴线上η随无量纲高度变化曲线的影响Fig.7 Slope influence onηvs nondimensional height curves of mountain valley axis

3.3 山谷宽度的影响

为探讨山谷宽度对山谷中轴线上风速分布规律的影响，在图8中对YK－3和YK－4的试验结果进行了对比。图8显示，当谷口宽度由4Lh增大至5.6Lh时，山谷中轴线上各位置处的风速修正系数均明显减小，且随谷口宽度增大，谷间不同位置处的风速分布规律趋于一致。

图8 山谷宽度对山谷轴心线处η随无量纲高度变化曲线的影响Fig.8 Valley width influence onη vs nondimensional height curves of mountain valley axis

3.4 山谷中轴线风速修正系数计算公式

采用式（4）作为目标函数，基于最小二乘法对图7和图8中所示曲线进行拟合，拟合得到的系数汇总于表2。

表2 山谷中轴线风速修正系数公式系数拟合Table 2 Equation coefficient of wind speed correction factor by curve fitting

基于表2与式（4）可得，当垭口两侧山丘的几何参数满足或接近ˉs＝0.3，D＝4ˉLh时，其在x／Lh＝0处的风速修正系数可用下式计算：

当山丘坡度在0.1～0.3之间，谷口宽度在4Lh～5.6Lh之间变化时，还可采用线性内插对风速修正系数进行插值。当然，由于风洞试验投入较大，试验工况有限，拟合更能反映C1、C2与坡度及谷宽的内在联系的公式，尚需进行更多的变参数风洞试验。

4 山脊中轴线风速分布规律

依据风洞试验结果，针对6个垭口模型的山脊中轴线上不同位置处的风剖面分布规律进行了对比研究。

4.1 各位置风速分布特点对比

在YK－3工况中，位于山脊中轴线上不同位置处的风速修正系数沿无量纲高度分布如图9所示。

图9主要反映了以下规律：（1）y／Lh＝±2的山丘峰顶处风速修正系数最大，达到了1.437，与平地风速相比，越山风风速增大了约44%，远大于输电线路设计规范提高10%的风速取值。（2）在y／Lh＝0处，近地面风速修正系数小于y／Lh＝±2处的风速修正系数，说明峡谷风效应对风速修正系数的影响要小于山丘峰顶的越山风效应。

图9 YK－3山脊中轴线上η随无量纲高度变化曲线Fig.9 ηvs nondimensional height curves of YK－3at the mountain ridge axis

4.2 山顶处试验数据与理论计算对比

有关山丘山顶处的加速效应研究较多，李正良基于CFD模拟所得的风速数据，给出的修正“原始算法”计算公式如式（6）和式（7）所示：

采用上述两式对YK－4工况垭口两侧山丘顶部的风速修正系数η进行计算，计算相关参数取值如表3所示。图10给出了风洞试验实测值与拟合公式计算值的对比。

表3 计算风速修正系数参数取值Table 3 Parameters for calculation of wind speed correction coefficient

如图10所示，在垭口两侧山丘山顶处，风洞试验所得的风速修正系数与单体山丘的拟合公式计算结果基本吻合，说明垭口两侧山丘山顶处风速未受垭口地貌的影响，与谷口宽度无关。

图10 风洞试验实测值与拟合公式计算值对比Fig.10 Contrast of test values and calculation values by fitted equation

5 结 论

针对垭口地貌山谷及山脊中轴线上的风速分布规律开展了风洞研究，对试验结果进行了理论分析，得到的主要结论如下：

（1）山谷中轴线上最大风速比平地风速高出了33%，山丘峰顶最大风速比平地风速高出了44%，均远超输电线路设计规范在平地风速基础上提高10%的规定，这应当是造成输电线路风偏闪络或倒塔事故的主因。

（2）山谷中轴线风速修正系数随两侧山丘坡度增加而增加，随谷口宽度增加而减小，本文中提出了符合这一规律的计算公式。

（3）山谷中轴线下风侧风速加速效应略强于上风侧。

（4）垭口两侧山丘山顶处风速未受垭口地貌影响，风洞试验测得风速修正系数与单体山丘拟合公式的计算结果基本一致。

（5）山丘顶部的风速修正系数大于山谷中轴线，在设计时可统一偏于保守的取用山丘顶部的风速修正系数对平地风速予以修正。

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