多分裂导线阻力系数的变化规律研究论文（精选2篇）
多分裂导线阻力系数的变化规律研究论文 篇1
小子样疲劳寿命分散系数置信区间随应力的变化规律研究
针对疲劳寿命样本小子样统计分析问题,采用Bootstrap方法模拟母体标准差的抽样分布,并结合纠偏的百分位法估算母体标准差的置信区间,着重估计了疲劳分散系数的置信区间.首先利用Bootstrap方法在参数区间估计方面的优越性能,对已知疲劳寿命母体分布的模拟试验数据进行了疲劳分散系数置信区间的估计,通过与真值的对照分析,验证了结合纠偏百分位思想的`Bootstrap方法进行疲劳分散系数区间估计的可信性.然后利用此方法对航空材料的140个钢合金试件和295个铝合金试件的真实疲劳寿命试验数据进行了疲劳寿命分散系数的区间估计,并研究了疲劳分散系数置信区间随疲劳试验应力的变化规律,为在工程实际中分析疲劳寿命试验数据提供了参考方法.
作 者：万越 吕震宙 范宇 WAN Yue LU Zhen-zhou FAN Yu 作者单位：西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072刊 名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：39(1)分类号：V215.5关键词：疲劳分散系数 置信区间 Bootstrap方法 百分位法 试验应力 变换规律
多分裂导线阻力系数的变化规律研究论文 篇2
摘 要：为了研究多分裂导线静力风荷载，进行了原尺寸刚性节段模型测力风洞试验，计算得到了多种直径导线阻力系数，并分析了包括雷诺数效应、屏蔽效应等因素对其结果的影响.研究结果表明，导线阻力系数试验结果较规范取值小，且由于导线表面粗糙度及紊流度的增加，会使其临界区雷诺数范围提前，尽管导线雷诺数处于名义的亚临界区域，其阻力系数依然随雷诺数变化比较敏感.对于多分裂导线而言，由于上游导线的遮挡干扰，导线整体阻力系数有所降低，必须考虑这种屏蔽效应的影响.拟合得到了考虑雷诺数效应以及屏蔽效应在内的输电导线阻力系数经验公式，为输电导线静力风荷载的计算提供一定的参考.
关键词：多分裂输电导线；风洞试验；阻力系数；雷诺数效应；屏蔽效应；经验公式
中图分类号：TU312.1； TU972.8 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）03-0032-09
与一般的土木工程结构不同，输电线路是由导、地线和各个输电杆塔连接而成的耦联体系，塔高由几十米到数百米，输电线跨度由几百米到上千米，深山峡谷和大江大河之间塔高和导线跨度更大.随着多分裂导线的应用及导线跨度的增加，导线本身的风荷载占输电塔线体系整体风荷载的比重越来越大，一般来说，对于数百米跨度的多分裂导线输电线路，作用在导线上的风荷载往往会高达输电塔总体风荷载的60%～80%[1]，由此可见，输电杆塔所受的风荷载主要来自于输电导线而非输电杆塔自身.强风作用下，特别是覆冰情况下，导线传递给输电塔的不平衡张力会引起输电塔的破坏[2]，因此，了解输电导线的静力和动力风荷载，是进行输电塔可靠度分析的重要基础[3]，对于输电塔线体系的结构设计尤为重要.然而，国内外现行规范[4-8]有关多分裂导线静风荷载的取值却不尽合理，主要存在以下两点不足：其一，没有考虑雷诺数效应的影响，阻力系数的取值与风速无关，始终取某一定值；其二，没有考虑多分裂导线屏蔽效应的影响，分裂导线的总风荷载是以分裂导线数量乘以单根导线风荷载得到.对于低电压等级的线路，导线直径较小，分裂根数较少，其屏蔽效应相对较弱，可以忽略分裂导线的屏蔽效应对导线风荷载的影响.然而，对于特高压输电线路而言，所使用的导线直径可高达52.8 mm，且分裂数量也达到8分裂之多，其屏蔽效应不容忽视.鉴于此， Wardlaw等[9]进行了2，4，6 和8 分裂导线的刚体静力试验以及3 维气弹试验，研究了分裂导线之间的干扰效应以及该效应对导线振动的影响.Ball等[10]分析了可能引起导线阻力系数风洞试验测量误差的多种原因，包括端部连接方式、长度与直径的比值（长宽比）等.蔡萌琦[11]等通过风洞试验测试获得在不同风速和风攻角下4分裂导线的风压阻力系数，同时采用数值模拟方法计算得到与试验模型对应的导线阻力系数，认为在计算多分裂导线的风压时，导线阻力系数按国内现行标准取值可能偏大而过于保守.张素侠等[12]通过数值模拟对4分裂导线阻力系数进行了计算，并分析了影响阻力系数的多种原因.谢强等[13-14]研究多分裂导线的整体阻力系数随迎风角度、导线直径、风速、紊流度、分裂数等的变化规律，研究结果表明对于大截面多分裂导线，特别是特高压的8分裂导线阻力系数的取值，可以考虑导线之间的遮挡效应造成的阻力系数的减小这一有利因素.尽管对导线阻力系数的既有研究均证实规范取值偏于保守这一事实，且从多分裂导线屏蔽效应的角度分析了影响阻力系数的重要原因，但是总体而言，对屏蔽效应的分析还不够系统和完善，仅初步认识了屏蔽效应对阻力系数的影响，但并没有定量分析影响屏蔽效应本身的多种因素以及考虑这些影响因素情况下的导线阻力系数计算方法.
基于此，本文在既有研究的基础上，进行了单根导线及多分裂导线刚性节段模型测力风洞试验，将包括风速、紊流度、导线截面直径、导线分裂间距以及分裂根数等对阻力系数的影响因素归结到雷诺数效应和屏蔽效应两个方面进行分析，并从导线结构参数及流场特性两个方面对屏蔽效应进行了分析，最后提出了考虑雷诺数效应及屏蔽效应的阻力系数拟合公式，该经验公式物理意义明确，可以为多分裂导线结构设计提供一定的参考.
1 导线刚性节段模型测力试验设计
1.1 模型制作
本文以5种不同技术参数的特高压输电导线为蓝本，制作了几何缩尺比为1∶1，节段长度为0.5 m的刚性导线模型.考虑到刚性节段模型刚度和外形的影响，采用铝管作为内核模拟实际导线的钢芯，橡胶螺纹模拟实际导线的外形.橡胶螺纹模拟实际导线最外围的单根铝线的直径，为了精确地模拟实际导线外形需考虑橡胶条螺纹缠绕时的节径比.绞线中每层的任何一根单线都是按一定的绞制角度环绕一中心线作螺旋状绞捻的.按照相关技术参数规定，节径比一般取10～12，本次试验拟用节径比为11，其对应的捻角（捻股时铝线中心线与中心线之间的夹角）为74.1°.导线模型横截面如图1所示.1.2 固定端板设计
本次试验涉及的多分裂导线的具体分裂数目为4，6，8 分裂，4分裂底盘采用铝材制作，6和8分裂底盘采用刚度较大的有机玻璃制作而成，并进行了内部镂空和周边倒角处理，使气流可以平稳地分离，保证刚度的同时减小底盘对风场的干扰.底盘上分裂导线布设的位置分别留内丝，以便与导线下端的外丝牢固结合.为了考察导线分裂间距对阻力系数的影响，在设计底盘时，预留导线的分裂间距分别为200，250，300，400，450和500 mm.3种多分裂底盘平面如图2所示.
2 风洞试验
2.1 风场模拟
试验在武汉大学WD-1风洞中进行.模拟了均匀流场以及采用布置横向和竖向格栅的方法模拟5%和9.5%两种典型均匀紊流场.9.5%紊流度的均匀紊流场格栅布置方式及模拟结果如图3所示.
2.2 试验工况
在3种紊流场下，分别进行了上述5种型号单根导线刚性节段模型测力试验，并对LGJ-630/45和JL/G3A-1000/45两种型号的模型导线进行了4，6和8分裂3种分裂根数的测试，其分裂间距为200～500 mm.试验风速为5～30 m/s.采用测力天平测试导线基底力，采样频率500 Hz，采样时间90 s，样本容量45 000；采用眼镜蛇探头测试流场风速，采样频率625 Hz，采样时间31.13 s，样本容量19 456.模型风洞试验如图4所示.为了考虑实际导线在风荷载作用下的偏转问题，本文分别设计了4，6和8分裂导线模型风攻角工况，如图5所示.试验结果采用一次消去法剔除底盘所受的风荷载，从而得到作用于导线上的荷载.
3 试验结果及分析
由于本次试验所涉及的导线型号以及考虑的因素较为全面，试验工况设置较多，限于篇幅，在分析导线阻力系数的影响因素时，本文仅给出了几种典型导线的试验结果，这些结果均具有类似于所有工况的普遍规律.
3.1 试验结果与规范对比
中国《重覆冰架空输电线路设计技术规程》[4]、《110～750 kV 架空输电线路设计技术规范》[5]和《1 000 kV 架空输电线路设计规范》[6]规定导线或地线的阻力系数Cd取值为：当线径小于17 mm 或覆冰时（不论线径大小）应取1.2；线径大于或等于17 mm 时，取1.1.ASCE[7]与IEC[8]规定，导线的阻力系数统一取1.0，但是有直接测量结果或者有风洞试验结果的可按照测量或者试验结果取值.
按照中国规范的规定，本次试验所涉及的5种导线直径均大于17 mm，因此单根导线的阻力系数取值应该为1.1，对于多分裂导线规范取值应该在单根导线的基础上乘以导线的分裂根数得到，多分裂导线阻力系数的取值与单根导线没有实质分别.事实上，对比阻力系数的试验结果与规范取值（如图6与图7所示）可知：在均匀流场中，相同间距，不同风速的条件下，阻力系数的试验值明显小于规范值，且多分裂导线试验值与规范值的差值比单根导线试验值与规范值的差值大得多.整体上看，随着风速的增加，导线阻力系数试验值与规范值的差值增大，并趋于稳定.在高风速下，LGJ-630/45单根、4和8分裂导线试验值与规范值的差值分别稳定在19.25%，25.8%，29.85%附近，JL/G3A-1000/45单根、4和8分裂导线试验值与规范值的差值分别稳定在19.44%，26.92%，30.25%附近.因此，按照现行规范对多分裂导线阻力系数取值是偏于保守的.实际上，阻力系数试验值与规范值间的差异，在Shan[15]和Landers等[16]的研究中也被证实，这种差异被认为是由于实测线路中沿整跨导线风场的速度、风向、湍流度不同导致的.本文将针对这种差异从雷诺数效应和屏蔽效应两个方面进行分析.但在Shan 的研究中同时发现，将在风洞中测量导线阻力系数的装置置于真实大气环境中测得的结果与风洞试验的结果相比具有足够的精度[15].
3.2 阻力系数雷诺数效应分析
如前所述，国内外规范阻力系数取值的限定条件仅仅与导线的截面直径有关，当导线截面直径确定后，无论在何条件下，导线的阻力系数均取一定值.然而，试验结果表明导线的阻力系数随风速与导线截面直径的变化存在较大差异.图8给出了均匀流场中，单根导线阻力系数随风速及导线截面直径的变化情况，其他流场下阻力系数的变化规律类似，本文不再赘述.可知：低风速时，导线的阻力系数呈降低趋势，当风速达到17 m/s左右时，导线的阻力系数略有增大，但增大的幅度很小，基本趋于稳定，导线阻力系数随风速的变化存在一个使得阻力系数趋于稳定的临界风速；导线阻力系数随其截面直径的增大而降低.
上述分析表明，尽管导线雷诺数处于亚临界范围（Re<105），其阻力系数仍然对雷诺数的变化比较敏感，其原因为圆截面结构表面的粗糙度以及流场的紊流度会影响雷诺数效应，即随着结构表面粗糙度的增加以及紊流度的增加，其所谓的有效雷诺数也会随之增加，阻力系数随雷诺数变化由亚临界向临界区转变的范围将被提前，使得导线雷诺数提早落入临界区.文献[17]的研究也证实了圆截面结构阻力系数随雷诺数的变化规律受结构表面粗糙度和结构所处流场的紊流度影响较大，其结论与本文研究结果一致.
3.3 阻力系数屏蔽效应分析
对于多分裂导线而言，各导线间存在干扰，使得其整体的阻力系数有所降低，这种由于多分裂导线间相互干扰引起的阻力系数降低的效应定义为导线阻力系数的屏蔽效应.图10给出了3种流场下，LGJ-630/45四分裂导线模型阻力系数随分裂间距的变化情况.图11给出了2种型号多分裂导线模型分裂间距为400 mm时，阻力系数随分裂根数的变化规律.可知：阻力系数随导线分裂间距的增大呈递增趋势，随分裂根数的增多呈下降趋势.总体而言，在分析导线屏蔽效应时，导线的分裂间距与分裂根数是需要考虑的两个重要因素.
本文以多分裂导线阻力系数与单根导线阻力系数的比值，即屏蔽效应系数来表征屏蔽效应的影响程度.一般而言，屏蔽效应系数小于1，越接近1说明屏蔽效应越不明显.屏蔽效应系数表示为：
Cs=多分裂导线整体阻力系数单根导线阻力系数×分裂根数.（2）
试验结果表明，多分裂导线的阻力系数与其分裂根数以及分裂间距有关，本文仅给出了导线LGJ-630/45和JL/G3A-1000/45在30 m/s时，即阻力系数基本稳定后，9.5%紊流度均匀紊流场中，高风速下的屏蔽效应系数随分裂间距与分裂根数的变化情况，如图12所示.可知：在其他条件不变的情况下，多分裂导线的屏蔽效应系数随分裂根数的增加而降低，随分裂间距的减小而降低；当分裂间距为500 mm时，导线的屏蔽效应系数接近于1，即：此时导线的屏蔽效应不再显著；对于两种型号导线而言，相同分裂间距下，直径较大的屏蔽效应更为明显，本文所涉及的试验工况中，这两种型号屏蔽效应系数最小值分别为0.83和0.77.
除了导线分裂特性会影响其阻力系数的屏蔽效应以外，流场的紊流特性同样也不可忽略，即随着风速的变化，导线的屏蔽效应会有所不同.图13给出了LGJ-630/45的4分裂导线模型屏蔽效应系数随风速的变化情况.由13图可看出，与阻力系数的雷诺效应相似，屏蔽效应系数随风速的变化同样存在一个临界风速，在此临界风速之前，屏蔽效应系数增幅较快，此后屏蔽效应系数呈降低趋势，但降幅并不显著，因此流场特性，特别是雷诺数引起的来流与结构间的流动特性对屏蔽效应的影响同样是需要考虑的另一重要因素.
此外，在风荷载作用下，实际导线会发生偏转，致使来流风攻角发生变化，从而使得屏蔽效应的影响程度有所差异.图14给出了LGJ-630/45型号4，6和8分裂导线不同风攻角下，阻力系数随风速的变化情况.可知，风攻角发生变化，在整体的迎风面上的导线数量也会发生变化，整体迎风面上的导线数量越多，屏蔽效应越明显，阻力系数就越小.从大小上来看，其他风攻角的阻力系数大体为0度风攻角阻力系数的1.1倍.尽管本文研究了不同风攻角对阻力系数的影响，但可能不足以涵盖其风攻角影响的最不利情况，因此这一方面有待进一步完善.
5 结 论
通过刚性模型测力风洞试验，对5种截面单根导线以及2种截面多分裂导线阻力系数从雷诺数效应和屏蔽效应两个方面进行了分析，得到以下主要结论：
1）无论是均匀流场还是均匀紊流场，导线阻力系数的雷诺数效应非常明显，存在一个临界雷诺数界限，使得导线阻力系数由急剧减小到趋于平稳的转变.
2）紊流度和导线表面的螺纹会引起雷诺数效应的变化，使得导线阻力系数随雷诺数变化的临界雷诺数范围有所提前，即尽管导线的雷诺数在104～105内，导线的阻力系数依然对雷诺数比较敏感.
3）多分裂导线的屏蔽效应比较显著.多分裂导线的分裂间距与直径之比、分裂根数以及流场特性是评估屏蔽效应影响程度的重要因素.分裂间距与直径的比值越大，屏蔽效应对阻力系数的影响就越为显著，分裂根数越多屏蔽效应越严重.
4）现行规范没有考虑阻力系数的雷诺数效应以及多分裂导线阻力系数的屏蔽效应，使得阻力系数的取值偏于保守.
5）提出了考虑雷诺数效应及屏蔽效应的多分裂导线阻力系数的经验公式，此公式可为多分裂导线结构设计提供一定参考.
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