为了研究冰棱对覆冰导线气动力及驰振稳定性的影响。应用FLUENT中的SST k-w湍流模型对三维五冰棱覆冰导线绕流场进行数值模拟分析,将三维五冰棱覆冰导线模型沿展向方向分为5个节段,监控全攻角下节段3的阻力系数、升力系数,并分析不同风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等对气动力参数产生的影响,根据Den Hartog理论计算得到驰振力系数,并判定覆冰导线的振稳定性。结果表明冰棱覆冰导线形态对覆冰导线流体绕流特性有极大的影响,其绕流场呈现明显的周期性;冰棱覆冰导线气动力参数受风攻角影响较大,阻力系数最大值与最小值相差2.55,升力系数最大值与最小值相差5.83;风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等因素对冰棱覆冰导线气动力参数影响有限;覆冰导线部分驰振力系数小于零(<0),冰棱覆冰导线处于非稳定状态,冰棱覆冰导线出现驰振舞动概率极大。

根据导线风阻力的计算原理推导了覆冰导线风荷载增大系数。基于覆冰导线的气动力系数风洞试验结果,分别计算了不同覆冰厚度、不同覆冰种类的圆截面覆冰导线、新月形覆冰导线和D形覆冰导线的风荷载增大系数,给出了便于工程设计和校核使用的覆冰导线风荷载增大系数的取值用表。结果表明,3种覆冰形状导线的风荷载增大系数均受实际覆冰厚度与覆冰种类的影响,其值随覆冰厚度的增大而增大、随覆冰密度的增大而减小。理想圆截面覆冰导线的风荷载增大系数在覆冰密度较小时的部分工况大于规范取值,在覆冰密度较大时均小于规范取值。新月形和D形覆冰导线的风荷载增大系数还与对应风攻角下的阻力系数有关,两者的风荷载增大系数取值在多数风攻角下小于规范取值。

针对新月形厚覆冰导线的升力系数在风攻角15°附近存在突变的问题,分别采用基于k-ωSST湍流模型的雷诺时均法和大涡模拟(LES)的数值方法对新月形厚覆冰导线在风攻角10°~20°范围进行了模拟。通过对比两种数值方法计算得到的覆冰导线气动力系数、流场结构和表面风压,发现LES方法能够更好地捕捉新月形覆冰导线表面的小尺度涡结构,得到的覆冰导线气动力参数计算结果与风洞试验数据高度吻合;而k-ωSST湍流模型难以模拟壁面上小尺度涡,捕捉不到升力系数的突变。根据覆冰导线不同壁面区域的压力分布,发现上侧壁面处的涡结构影响整体流场,并在下侧壁面曲率、来流夹角和壁面切线方向共同作用下导致升力系数突变。LES的气动力参数模拟结果可为覆冰导线防舞提供参考。

在严重覆冰状态下,分裂导线往往因子导线间存在过桥覆冰而形成粘合式裹冰,使输电线路受风面积显著增加和气动外形劣化。为研究粘合式裹冰和子导线独立裹冰二分裂导线的气动力特性,开展了刚性模型高频天平测力风洞试验,并进一步分析了两种覆冰类型下气动力特性对舞动稳定性和风偏响应的影响。研究结果表明(1)粘合式裹冰导线的升力曲线尖峰突降较小,在大攻角情况下平均升力系数远大于独立裹冰情况;(2)在170°风攻角附近,独立裹冰二分裂导线的平均扭矩系数大于粘合式裹冰情况;(3)两类覆冰导线顺风向脉动风荷载均符合准定常假定;(4)竖向舞动时独立裹冰导线的稳定性更差,而扭转舞动时粘合式裹冰导线更为不利;(5)在相同风速和线路条件下,粘合式裹冰导线的风偏响应较独立裹冰导线大,对导线风偏更不利。

通过覆冰四分裂导线与单导线风洞试验,得到了4种不同工况下的空气动力系数,接着采用等效替代法得到关于四分裂导线中心轴的等效气动力系数,再将该系数与相同条件下进行风洞试验所得的单导线气动力系数作对比。结合Den Hartog横向驰振机理与Nigol扭转稳定机理,分析了等效后覆冰四分裂导线的稳定区与不稳定区,并将其与单导线的稳定区与不稳区作对比,分析了两者的失稳。本文所得结论能对覆冰导线舞动研究与仿舞技术研究有一定的参考价值。