覆冰斜拉索气动力的试验与数值研究

摘要：斜拉桥拉索表面形成的覆冰可能会使斜拉索发生不稳定的驰振振动.首先，制作了6种覆冰截面的拉索模型，几何缩尺比为1∶1；然后，进行了静力天平测力风洞试验，得到了6种覆冰截面的平均升力系数和平均阻力系数，并给出了驰振力系数；最后，采用Fluent软件模拟了2种覆冰截面的绕流情况，并给出了平均升力系数.结果表明：上述6种覆冰截面的驰振力系数均远小于零，存在发生驰振的可能性；CFD模拟得到的平均升力系数与试验结果吻合较好.

关键词：拉索；覆冰；气动力；风洞试验；CFD模拟

中图分类号：U448.27 文献标识码：AExperimental and Numerical Investigations of the

长细结构的覆冰会改变结构的气动外形，从而导致各种类型的风致振动，最为典型的就是驰振振动.驰振是由于平均升力系数突降产生的气动负阻尼引起的一种横风向风致振动，属于发散性振动，对结构破坏性很大［1］.迄今为止，很多研究者对覆冰输电线的驰振进行了研究.1932年，Den Hartog提出了横风向驰振的临界判别公式，认为气动负阻尼是驰振的关键原因［1］.Nigol和Buchan［2］在1981年提出了扭转驰振机理.Yu等［3］提出了偏心惯性耦合失稳理论，认为覆冰导线同时发生水平、竖向和扭转3个方向的运动.马文勇等［4］推导了任意风向作用下覆冰导线在任意振动方向的单自由度驰振判别式，从理论上证明了顺风向发生驰振的可能性.李万平［5］研究了覆冰导线群的动态气动力特性.白海峰等［6］研究了分裂式导线的横风向驰振响应.

另外，斜拉索表面也可能会形成覆冰并发生驰振，但对其研究还很少.与输电线相比，斜拉索的单位长度质量、直径要大，其动力特性也有较大的差异；更为重要的是，斜拉索与水平方向成较大的夹角(一般大于30°)，其风攻角可为0°～360°，较易满足驰振的起振条件.为此，本文进行了3种冰型、6个工况的静力天平测力风洞试验，并对其中2种工况进行了CFD数值模拟，得到了典型覆冰拉索截面的气动力特性，给出了Den Hartog驰振力系数，为进一步的驰振稳定性研究提供了气动力数据.1 试验概况

1.1 试验设备及仪器

覆冰拉索测力风洞试验在湖南大学HD

2风洞实验室的高速试验段进行，试验段尺寸为2.5 m高×3.0 m宽×17 m长.六分量静力测力天平的精度为0.2%，其量程范围见表1，其中Y轴为竖直方向，X和Z轴为水平方向.经初步估算，本次试验各个方向的荷载值均远小于量程值.

拉索模型直径120 mm,长600 mm，模型比例为1∶1.参考已有的文献，选用3种类型的冰型［7-9］：新月形(含薄膜形)、扇形和D形.薄膜形(模型编号C1)覆冰最大冰厚为10 mm，另外2种新月形覆冰最大冰厚分别为50 mm(模型编号C2)和80 mm(模型编号C3)；扇形截面的厚度为50 mm(模型编号S1)；有光滑段D形截面粗糙段最大厚度为30 mm，光滑段厚度为10 mm(模型编号D1)，无光滑段D形截面最大厚度为55 mm(模型编号D2).

模型的材料应尽量轻，与天平的连接应尽量牢固，以提高模型的固有频率，并减小模型共振而增加的附加惯性力.覆冰拉索模型采用泡沫内芯外包泡桐木板的方法制作，模型总质量为200～300 g.为减小模型上端部的三维绕流效应，在拉索模型的顶部设置导流板，导流板由与风洞顶部连接的钢管固定，并与拉索模型保持5 mm间距.导流板由有机玻璃制作，直径30 cm、厚度1 cm，边缘上部倒角.覆冰拉索模型的底部为铝板，通过螺丝与六分量测力天平连接，天平固定在风洞的转盘上，通过转盘的转动来调节风攻角.

1.3 试验风场及试验工况

风洞试验在均匀流场中进行，试验风速为12 m/s.由于所选择的覆冰拉索截面均为单轴对称截面，因此仅需进行0°～180°风向角的三分力测量即可.定义来流平行于对称轴线且覆冰迎风时为0°风攻角，并按逆时针方向增加(3)

式中：α为风攻角.

2 试验结果2.1 平均升力与阻力系数

新月形覆冰拉索的平均阻力系数和平均升力系数曲线见图6.图6(a)中C1模型的平均阻力系数随风攻角变化不大，仅在40°左右有突升，最大平均阻力系数接近0.6，与经典结果相比偏小，有2个方面的原因：1)靠近风洞底板边界层的影响；2)雷诺数在临界雷诺数附近.C1模型的平均升力系数在α=0°～40°攻角范围内，随攻角α增大，平均升力系数从-0.05左右上升到0.5左右；在α=40°处平均升力系数有一个突降，从0.5减小到0.0左右；在40°～180°，平均升力系数随攻角α变化有小幅度的波动，在70°和150°有较小的正峰值，180°攻角处系数值约为0.图6(b)(c)中C2和C3模型的平均阻力系数曲线呈两端低中间丘状突起，且均在10°时达到最小值，约为0.3，在90°左右达到最大值，分别为0.8和1.0，这是因为C2和C3冰型在α=0°和180°时的迎风截面最小，而在α=90°时迎风截面最大.C2和C3模型的平均升力系数均在α=20°之前急速上升并在20°左右出现最大值，分别为0.9和1.1，之后曲线相对较平缓，在40°左右出现大斜率的突降，平均升力系数降幅约为0.6～0.7，之后缓慢下降，并分别在α=130°和140°左右达到最小值，约为-0.2，之后曲线开始上升，在150°～160°之间有小的正峰值，在175°左右出现一个较大的正峰值，约0.7，之后大幅度下降，在180°系数值为0.综合图6(a)(b)(c)可看出，3种不同冰厚的新月形覆冰气动力系数变化趋势类似，覆冰越厚，其阻力系数变化幅度越大.升力系数值在0°和180°攻角处均接近0，但覆冰越厚，变化幅度越大，C1，C2和C3模型的升力系数最大值依次递增，且均在40°左右出现大幅下降，而C2和C3模型在175°左右出现正峰值后又有大幅突降.