管构件微风振动防治机理研究

李昌茂 杨映雯 文均容 兰 英

（重庆科技学院 建筑工程学院，重庆401331）

我国幅员辽阔，能源资源和能源消费很不均衡。为了实现能源的有效利用，建设具有远距离、大容量、低损耗输电能力的特高压输电系统,是我国经济社会协调发展的必然要求[1]。近年来随着特高压输电工程的迅速发展，使用钢管构件的输电塔数量逐渐增加[2]。然而，当恒定风作用在圆截面构件上时会产生交替脱落的漩涡，这种上下交替产生的漩涡，在圆柱体上将产生一种上下交替的作用力，当漩涡脱落频率与构件自振频率接近时，会出现涡激共振的现象，电力工程上常称为微风振动[3]。由于钢管塔圆管构件长时间处于风速较低的环境，反复的振动会导致钢管塔圆管构件螺栓连接松动和疲劳破坏[4]。

因此，基于微风振动的基本理论对钢管塔圆管构件微风振动的防治机理研究具有非常重要的工程应用价值。杨靖波，李正，王朝景[4-9]多次采用风洞试验的方式对特高压钢管塔构件微风振动特性及其抑振措施研究。本文基于微风振动的基本原理，建立了圆管构件的风洞试验模型与数值模拟模型，采用风洞试验与数值模拟的方式，共同对圆管构件的微风振动现象进行理论分析，研究其微风振动特性并探讨钢管构件微风振动的防治机理。

1 微风振动风洞试验

1.1 微风振动风洞设定工况

风洞试验工况设定模型的长度定为2200mm，圆管外径为40mm。模型端部使竖向铰接，利用ANSYS 软件进行建模分析，得到自振频率为20.94Hz。

当钢管发生涡激共振时，自振频率等于漩涡脱落频率，而漩涡脱落主导频率的近似计算公式为（1），可计算出构件涡激振动时对应的理论来流风速。

式中：fs为漩涡脱落频率；U 为来流风速；D 为钢管直径，取为0.04m；St为斯托罗哈数。

试验共测试了180 度角、120 度角、90 度角，三种不同布置角度的扰流板对微风振动防治措施的效果。布置方案如图1 所示。

1.2 风洞试验结果分析

漩涡脱落频率与圆柱体的某阶固有频率接近时，发生涡激共振。对以上工况进行风洞试验发现，当来流风速为4.767m/s，微风振动现象最为明显，振幅最大。通过激光位移测定仪可获得圆管构件发生微风振动时的位移曲线时程图，其中圆管构件振幅为4.47mm，将圆管杆件位移的数据进行快速傅里叶变换，可以得出其振动频率。得到圆管振动频率为21.4Hz。

将以上三种工况进行试验，经过调整风速，圆管构件有不同的最大位移，其风速与最大位移的关系如图2 所示。

图2 圆管构件附加扰流板

由以上试验结果可以看出：（1）布置扰流板可以有效减小圆管构件的微风振动最大振幅。（2）扰流板布置与来流风速夹角为90 度时振幅为1.06mm，是三种工况中的最优工况，；扰流板布置与来流风速为120 度时，振幅为1.71mm；扰流板布置与来流风速为180 度时，振幅为3.16mm，是三种附加扰流板的工况中防治效果最差的一种工况。

2 微风振动数值模拟

2.1 微风振动风洞设定工况

本文数值模拟分析中，采用软件Fluent18.2 版进行计算，二维双精度求解器（64 位求解器）；设定工况与上一节风洞试验相一致，导线直径D＝40mm；单位质量长度为m＝1.084kg；横向为铰接，刚度为26188。本文计算步长t 为0.001s。

2.2 微风振动结果与分析

对以上工况进行数值计算，通过观察其压力云图，可以发现当风吹过圆管时，圆管背后产生漩涡，如图3 所示。

图3 圆管数值模拟压力云图

这种漩涡被称为“卡门涡流”。圆管背风出的漩涡上下交替产生，不断地离开圆管体向后延伸，逐渐消失。

将升力系数及位移经快速傅里叶变换，得到对应的频率，漩涡频率fs与自振频率fn相等且均为21.33Hz，表示漩涡脱落频率被锁定在钢管构件自振频率附近。

将以上三种工况进行计算分析。附加不同角度的扰流板对漩涡脱落的方式不同，改变了无扰流板圆管背后的良好且规律的旋涡脱落表现。

图4 给出的升力系数频率图和圆管振动频率图中，可以看出，通过附加扰流板，改变了漩涡脱落的频率。在来流风速不变的情况下，附加扰流板处的漩涡频率fs1与未加扰流板处圆管构件的漩涡频率fs不同，且频率fs1明显小于频率fs，然而附加了扰流板的圆管构件的自振频率fn与之前相差不大，导致漩涡频率fs与自振频率fn不同，不能产生微风振动现象。由以上试验结果可以看出：（1）增加扰流板使涡街脱落频率改变，在原风速情况下不能发生涡激共振。（2）布置不同角度的扰流板的升力系数幅值不同，在三种扰流板不同的工况中，升力系数幅值从大到小的排序为，90°大于120°大于180°

图4 附加扰流板升力系数时程图

3 结论

本文通过风洞试验和数值模拟共同对特高压钢管构件微风振动特性和扰流板抑制措施进行了研究，分别对圆管构件以及附加不同扰流板位置的圆管构件进行风洞试验和数值模拟，基本结论如下：（1）在来流风速不变的情况下，附加扰流板会使得漩涡脱落频率减小，导致漩涡频率fs与自振频率fn不同，使其不产生涡激共振；（2）当附加圆管构件扰流板后，不产生涡激共振时，扰流板处的升力系数在一定范围内幅值越大，对整个圆管构件的减振效果越好；（3）合理的扰流板布置方案可以有效减小圆管构件的微风振动现象，在三种不同布置角度下，在90 度布置扰流板的减振效果最好。