擾流板對(duì)鋼管構(gòu)件渦激振動(dòng)抑制效應(yīng)的數(shù)值模擬研究★

單 強(qiáng) 劉 輝 周二彪 胡 奎 李光應(yīng) 黃 國(guó)

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000; 2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000; 3.國(guó)網(wǎng)阿克蘇供電公司，新疆 阿克蘇 843000; 4.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100055)

1 概述

在電力工程建設(shè)中，存在許多鋼管構(gòu)件，比如鋼管避雷針、鋼管塔中的鋼管桿件等等。當(dāng)風(fēng)速合適時(shí)，鋼管構(gòu)件會(huì)發(fā)生渦激共振。這是因?yàn)闅饬髁鹘?jīng)鋼管時(shí)，會(huì)在尾流區(qū)形成交替脫落的旋渦，產(chǎn)生垂直于流向的脈動(dòng)升力。當(dāng)脈動(dòng)升力的頻率與鋼管的固有頻率相近時(shí)，鋼管就會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)，對(duì)安全運(yùn)行造成影響[1,2]。鋼管構(gòu)件的臨界起振風(fēng)速與其長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，長(zhǎng)細(xì)比大的鋼管構(gòu)件臨界起振風(fēng)速低，容易發(fā)生渦激振動(dòng)[3,4]。常規(guī)的手段是通過(guò)加裝擾流板或者擾流線，改變其氣動(dòng)外形，對(duì)渦激振動(dòng)進(jìn)行控制[5,6]?？紤]到發(fā)生渦振地區(qū)的風(fēng)向不定，通常情況下，擾流板或擾流線環(huán)繞鋼管四周布置。但是對(duì)于主導(dǎo)風(fēng)向常年比較固定的地區(qū)，環(huán)繞四周的安裝方式會(huì)造成鋼材浪費(fèi)，增加自重。沿鋼管通長(zhǎng)方向安裝一塊條形擾流板也可以改變其氣動(dòng)外形，擾亂鋼管尾渦的規(guī)則脫落。擾流板的朝向，即擾流板與風(fēng)向的夾角是影響減振效果的關(guān)鍵參數(shù)，本文對(duì)這一關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究。

2 計(jì)算模型

流場(chǎng)控制方程采用Navier-Stokes方程，如式(1)，式(2)表示：

(1)

(2)

其中，ρ為空氣密度；ui(i=1,2,3)分別為在直角坐標(biāo)x(x1),y(x2),z(x3)方向的流體速度分量；fi為作用在流體單位質(zhì)量上作用力的分量，σij為體積元dV的內(nèi)部應(yīng)力。▽代表哈密爾頓算子，其在直角坐標(biāo)系下可以寫(xiě)為：

(3)

鋼管在流體作用下的振動(dòng)模型可以近似地簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧振子體系。因?yàn)閳A柱體扭轉(zhuǎn)影響較小，所以不考慮扭轉(zhuǎn)自由度的影響，只考慮Y方向的平動(dòng)自由度。如果將體系的質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼分別用M,K和C表示，可以將單自由度振動(dòng)模型用如下的方程表示為：

(4)

(5)

(6)

其中，U∞為來(lái)流的速度；D為結(jié)構(gòu)的特征尺寸；CL(t)為圓柱受到的升力系數(shù)；CD(t)為圓柱受到的阻力系數(shù)；FD(t)為圓柱體受到的阻力對(duì)圓柱長(zhǎng)度的均值。

采用弱耦合方法依次求解流場(chǎng)和圓柱響應(yīng)。在流場(chǎng)求解中獲得圓柱壁面上的荷載，再將荷載施加到圓柱體求解其結(jié)構(gòu)響應(yīng)，之后再將結(jié)構(gòu)響應(yīng)反饋給流場(chǎng)。每求解一步，流場(chǎng)更新一次網(wǎng)格，往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)流固耦合。

3 幾何建模

3.1 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

計(jì)算域如圖1所示，流域入口邊界寬20D，長(zhǎng)度35D，中部劃分了5D×5D的區(qū)域包裹圓柱。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算域，內(nèi)部核心區(qū)域劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

3.2 邊界條件

在求解中，流域入口采用速度入口邊界條件，流域出口采用壓力出口邊界條件，上下壁面均采用對(duì)稱邊界條件，圓柱表面為無(wú)滑移壁面邊界。流動(dòng)選為非定常流動(dòng)，湍流強(qiáng)度設(shè)置為1%(見(jiàn)圖3)。

4 仿真結(jié)果

在計(jì)算中，以直徑40 mm鋁制圓管的渦激振動(dòng)為研究對(duì)象，主要研究擾流板肋板周角對(duì)圓管渦激振動(dòng)的抑制效果。采用2D網(wǎng)格進(jìn)行大渦模擬，為簡(jiǎn)化模型，將擾流板視為沿著圓管通長(zhǎng)布置。工況設(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況

以工況3為例，直徑為40 mm的圓管，在120°(右下方)附加肋板高度為20 mm的擾流板。在渦激共振區(qū)內(nèi)，逐步測(cè)試不同風(fēng)速下圓管的豎向振動(dòng)位移，最終發(fā)現(xiàn)在3.75 m/s風(fēng)速下，圓管的豎向振幅達(dá)到了最大。由圖4壓力云圖可以看出，增加擾流板后，在圓管尾流區(qū)不能形成明顯的卡門(mén)渦街，可以起到抑制圓管的渦激振動(dòng)。

圓管振動(dòng)穩(wěn)定后，得出工況1～工況4條件下圓管的振幅以及阻力系數(shù)、升力系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 仿真結(jié)果

根據(jù)表2中的仿真結(jié)果，可知擾流板在90°和180°肋板周角情況下減振效果較好，120°肋板周角的減振效果不明顯。但對(duì)比90°和180°肋板周角工況，可以看到，90°肋板周角工況下會(huì)增大迎風(fēng)阻力，增大風(fēng)荷載，對(duì)安全不利。而180°肋板周角工況，可以同時(shí)顯著減小圓管阻力系數(shù)和升力系數(shù)，對(duì)安全運(yùn)行有利。綜上考慮，布置180°肋板周角擾流板最為合理。

5 結(jié)語(yǔ)

沿圓管通長(zhǎng)布置擾流板，在90°和180°肋板周角情況下可以取得較好的減振效果，120°肋板周角的減振效果不明顯。而90°肋板周角工況下會(huì)增大迎風(fēng)阻力，180°肋板周角工況可以同時(shí)顯著減小圓管阻力系數(shù)和升力系數(shù)。因此，布置180°肋板周角擾流板最為合理。