文摘

飞奔的冰输电线路受到调节气流已经在这项研究中,分析和发现一种新形式的飞速发展在理论上和实验上。冰的偏微分方程,建立了输电线路基础上,汉密尔顿理论。然后应用伽辽金法对连续模型和离散模型推导出两个平面和扭转模式。一个梯形风场模型是建立在简谐波的叠加。振动振幅通常观察到更暴力,当风速降低,除了2nd平面模式。此外,飞驰的风速下降率的影响进行了分析使用不同postdecline风速度和持续时间的风速度的下降。随后,一个实验进行了连续模型冰导线的风洞专用飞奔。前两个平面模态概要文件,连同他们的反应调节气流。不同的下降率的风洞风速也证实,显示良好的协议与模拟结果的数学模型。飞驰的振幅的突然增加传输系统构成重大威胁,也提高了损伤机制与飞驰的纤细,长与非圆形截面结构。

1。介绍

长,细长结构广泛用于工程应用在外部环境中起着重要作用,包括高压输电线路,暂停了电缆,电缆,相对于和深海系泊。降雨或降雪等恶劣天气条件下,这些结构变得非圆形的横截面,导致不稳定的空气动力气流和导致飞奔。由于这些结构表现出光质量,小阻尼比,和非线性因素对其几何和空气动力,飞驰的趋势观察是多样化。冰输电线路的飞速发展是本文的主要研究课题。

由于风流动的主要因素导致飞奔,平均风速已经广泛分析获得空气动力系数(1- - - - - -5飞驰的模型[]及其影响6- - - - - -9),这说明了飞驰的机制。非均匀风速度被调查促进和丰富冰输电线路的飞驰的分析包括湍流(10- - - - - -12,随机13,14],波动[15)和正弦风字段(16]。然而,实际情况与风有关的瞬态时间停止已经很少分析和模拟。

风洞试验是一个可靠的方法来分析风荷载的影响作用于导体。一方面,这些测试主要集中在不同横截面形状的空气动力系数(17,18),冰厚度(19)、风攻角(20.,21),和横截面区域(22]。另一方面,测试主要是进行截断导体模型(23,24),不能准确反映不同的飞速发展模式的飞驰的配置文件;然而,导体飞驰的涉及混合不同的振动模式,这甚至可能显示不同的反应风速下降。

因此,飞驰的冰输电线路受到调节风场分析,执行和风洞测试在连续的导体模型在这个研究。理论分析中阐明部分2;理论飞驰的模型用于确定平面的耦合运动和扭转模式中描述部分2。1。节2。2,梯形风场模型来模拟风速下降。数值模拟是实现部分2。3,飞奔的风速下降速率影响也进行了分析。风洞测试了一个完整的飞驰的模型,这是描述的部分3验证理论结果。研究一直在总结部分4。

2。理论模型

2.1。建立动态模型

输电线路被建模为一个灵活的电缆长度l,如图1(一)。此外,Γ0代表了初始配置按以下表达式:

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
冰传输线的理论模型。(一)配置。(b)横截面。

Γ表示配置飞驰的发生时。 (x,t),θ(x,t分别代表平面和扭转位移。平面外模式还没有被认为是在这项研究中,因为它展示一个小振幅在飞奔,也不清楚地观察到在随后的实验。假设冰吸积均匀沿着电缆连接;其横截面如图1 (b)。气流U徒出平面的方向。Ur代表了风速相对于导体。之间的关系U和Ur可以推导出如下:

Fl和FD气动升力和阻力的力量作用于导体相对风下,分别;他们的投影的总和y轴是Fy,这是代表以及扭转气动力米下面的矩阵形式: 在哪里D横截面的直径;ry和r米从风洞试验获得的是空气动力系数(3];α是风攻角推导如下: 在哪里θ0是冰的初始角吸积。冰输电线路的偏微分方程,建立了基于哈密顿理论,是下面的形式25]: 在上面的参数解释给出的值在表吗1。

表1
冰输电线路的参数。

伽辽金方法用来把偏微分方程转化为常微分方程。因此,以下假设: 在哪里V我(t)(我= 1,…,l)和Θk(t)(k=1、…N)每个模式平面的位移和扭转运动,分别。前两个平面模式保留,因为他们很容易刺激,和他们的振幅比较大(25]。扭转的位移模式虽小,尤其是那些高阶的扭转模式,扭转模式产生重大影响相应的平面同行(26]。因此,在这项研究中,l=N= 2和方程(6)代入方程(5)。代替方程然后乘以每个振动模态函数,在集成终于从0到执行l;积分方程都写在下面的形式: 在哪里 , ,ωθ1,和ωθ2前两个平面的自然频率和扭转模式,分别。一个1- - - - - -一个4,b1- - - - - -b4,年代1和年代2积分系数,见附录。

2.2。调节风场的模拟

采用梯形风场在这项研究中分析飞驰的特性,特别是当风速下降。因此,风场使用表达如下: 在哪里U0平均风速如图2;h=U1- - - - - -U2,U1表示前面的平均风速。用postdecline风速U2;ω= 2π/T,td是风的运行时间下降。


图2
梯形风场模型。
2.3。结果与讨论

龙格-库塔方法被用来模拟方程(7一个)- (7 d)。调节风场的飞驰的行为从8米/秒2秒内0 m / s图所示3。左边y轴代表位移与飞奔,而右边y轴表示风速。每个模式选择的初始值为0.01的数值模拟。开始时,风速急剧增加,而前两个平面的振幅和扭转模式增加非常缓慢。此外,1圣平面模式大约需要1500年代达到最大值。这表示,飞驰的需要能量积累和恒定的平均风速。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图3
时间记录(0 - 3000 s)。(一)1圣平面模式。(b) 2nd平面模式。(c) 1圣扭转模式。(d) 2nd扭转模式。

然而,所有的模态振幅(除了2nd平面)大幅增加在2 s当风速度下降。突然增加的幅度对传输系统构成更大的威胁;然而,没有明显的影响,观察到在2nd平面模式。如图4,振幅的突然增加导致的小磁滞与风速下降有关。此外,它可以确定,增加的幅度是由风速下降引起的。的振幅平面模式从0.215增加到0.271,这是在平均风速1.3倍的价值。前两个扭转模式的振幅是以前的32.7和4.92倍值风前的下降速度,分别,这是更大的影响。图5显示前两个平面的飞驰的概要文件模式。1圣平面模式由一个波峰,而2nd平面模式有两个波峰和一个节点,也观察到在随后的实验。蓝色的线条图5代表着飞驰的概要文件风前的下降速度。飞驰的配置文件与风的减少速度是用橙色线。飞驰的概要文件的振幅比前面的振幅在1圣平面振动,而小于2nd面内振动。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图4
时间的历史(1500 - 1650年)。(一)1圣平面模式。(b) 2nd平面模式。(c) 1圣扭转模式。(d) 2nd扭转模式。
(一)
(一)
(b)
(b)
图5
飞驰的概要文件。(一)1圣平面模式。(b) 2nd平面模式。

从飞驰的展览同步行为为每个模式(除了2nd在风速下降平面模式),1圣平面模式用于后续模拟传输系统由于其显著的威胁。风速下降率的影响在飞驰的行为在这一节中讨论。在此,前面的风速U1和运行时间td保持不变,postdecline风速U2选为0 m / s, 0.5 m / s, 1 m / s(图6)。减少所花费的时间进行计算,模拟的初始值是选为0.2。三个条件的飞速发展趋势定性一致。此外,一个更小的U2值会导致更大的风速差异,从而引起较大的振幅增加。随后,td选为0.5 s, 2 s, 5 s模拟8米/秒的风速下降到0 m / s。图7表明,短时间的风速下降引起更多的暴力飞奔,即。,它展示一个振幅,前幅值的1.4倍。根据上述分析,显著差异在风速和短时间的风速下降导致的下降速度明显降低风速,可以释放更多的飞驰的能量。因此,可以推断,振幅成正比增加的能量释放。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
时间的历史第一平面模态与风速降低飞奔U 1= 8 m / st d= 2。(一)U 2= 1 m / s。(b)U 2= 0.5 m / s。(c)U 2= 0 m / s。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
时间的历史第一平面模态与风速降低飞奔U 1= 8 m / sU 2= 0 m / s。(一)t d= 0.5 s。(b)t d= 2。(c)t d= 5 s。

3所示。实验验证

3.1。实验平台

在飞驰的平台上执行一个冰导体实验(图8)。因为一个按比例缩小的模型很难实现在实验室条件下,飞速发展的关键因素被认为是和模拟定性验证上述理论结果。飞奔的基本要素是苗条,长结构,非圆形截面,和持续的气流,基于实验系统由三个部分组成:一个连续与非圆形截面电缆模型;风洞可以提供一个稳定的气流;和数据采集系统,该系统可以测量不同位置的位移电缆模型。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
飞驰的平台。
3.1.1。连续的冰输电线路模型

钢丝绳是用来模拟连续传输线的长度4.8米。如图9每个长度,因为过度的电缆质量很难疾驰,钢丝绳的直径是选为1毫米。然而,刺激一个电缆用小直径也很困难。飞驰的现象,因此,为了证明一个明显8毫米的直径扩大使用聚苯乙烯棒,这是光和包裹在钢丝绳上。聚苯乙烯是选择制作冰吸积,坚持电缆的表面模型厚度为2毫米。


图9
模型的截面。
3.1.2。风洞

风洞是流线型的,如图10。气流是由12个三相异步电动机使用风扇安装在后面的两排风洞。两个蜂窝是安装在电动机的球迷面前,确保气流的均匀性和稳定性。电动机的转速球迷通过电动控制装置控制。此外,风速可以调整从0 m / s 5 m / s,这是由一个风速计测量。电缆模型放置在测试部分。电缆的一端固定在垂直的钢框架;水平钢框架的另一端固定在滑轮,连接一个螺丝扣s形张力传感器。螺丝扣旨在调整初始张力,张力传感器可以测量的。


图10
风洞。
3.1.3。数据采集系统

接触传感器产生重大影响的测量由于光导体模型的质量。因此,两个非接触激光传感器(HL-G103-S-J)是在有线模式下使用。来验证上述理论结果,前两个模态概要文件应该被测量。基于现有的理论,一个传感器应该放置在一个点代表电缆长度的1/2,最大振幅的1圣模式发生。另一个传感器是安装在一个点代表电缆长度的1/4,最大位移的2nd模式出现了。由于局限性与实验条件有关,扭转振动的测量是有待实现。

3.2。实验结果

当平均风速0.85米/秒,1.207 m / s,冰导线模型进行观察到1圣和2nd平面模态飞奔,分别的概要图所示11。1圣平面模态飞驰的展品波峰和山谷电缆长度的1/2,也变成了一个节点2nd平面模态飞奔。此外,波峰谷2nd平面模式展示他们出现在电缆的长度l / 4和3/4。概要文件的一致性与描绘在图的理论方程5。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
飞驰的概要文件中捕获的风洞测试。(一)1圣平面模式(U= 0.85 m / s)。(b) 2nd平面模式(U= 1.207 m / s)。

前两个平面模式的飞驰的数据被收集的传感器电缆长度的1/2和1/4,如图12和13,分别。飞驰的频率的2nd平面模式是1的两倍圣平面模式(数据12(一个)和(13日));这个结果也是按照计算在以前的工作25]。随后,突然增加1圣平面振幅时观察到的风速降低到0米/秒,这是前一个值(图1.49倍12 (b))。相比之下,2nd平面模式与风速下降(图衰变13 (b))。虽然尚未扭转模式测量,平面外的飞速发现是不稳定的振动在风速下降。风洞试验中观察到的现象一致,通过理论分析得到。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
飞驰的数据从激光传感器获得1/2电缆长度U 1= 0.85 m / sU 2= 0 m / s。(一)幅频曲线。(b)随时间的变化。
(一)
(一)
(b)
(b)
图13
飞速从激光传感器获取的数据在1/4电缆长度U 1= 1.207 m / sU 2= 0 m / s。(一)幅频曲线。(b)随时间的变化。

因为电动机的控制装置球迷只能调整风速,风速变化的持续时间尚未控制和测量。因此,postdecline风速的不同的值U2用于验证理论结果。在测试期间,风速可以迅速下降,以避免运行时间的影响td。如图14,一个小U2价值会下降率高风的速度,导致更多的暴力飞奔的过程。这飞驰的特征是一致的,通过数值模拟获得。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图14
时间的历史第一平面模态与风速降低飞奔U 1= 0.85 m / s。(一)U 2= 0.664 m / s。(b)U 2= 0.533 m / s。(c)U 2= 0 m / s。

4所示。结论

在这项研究中,一个数学飞驰的模型已经建立了一个冰输电线路调节气流,和前两个平面和扭转模式阐明。数值模拟是用来确定风速下降飞奔的反应。风洞试验,设计了连续模型冰的导体,上面提到的模拟结果进行了验证。理论分析和实验数据符合对方定性。本研究的主要结果总结如下:(1)飞驰的只能发生在当能量积累发生在一个恒定的平均风速。同时,风速急剧下降导致暴力飞奔,特别是对于扭转模式;然而,这个风速下降很少影响2nd平面模式。(2)不同postdecline风速度和运行时间对应于风的下降速度是用来解释,下降率较高的风速会导致更多的暴力飞奔。(3)模拟结果定性同意前两个平面的实验观测模式,关于飞驰的概要,振动频率的关系,每个模式下调节气流,飞驰的特性和下降率的影响在飞驰的风速。因此,验证了数学模型是可行的,可用于模拟和预测长期的飞奔,细长的结构与非圆形截面。

管理机制在风速下降幅度的增加仍不清楚。然而,能量释放被认为是原因的飞速发展趋势对风速的区别和运行时间;这方面将进一步研究在后续研究。

附录

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认中国的国家自然科学基金的支持(没有。51808389)和天津市自然科学基金(18 jcqnjc08000号和18 jcqnjc75300)。