覆冰导线的空气动力参数数值模拟

作者:展雪萍;于波;郭菁;詹平 刊名:武汉大学学报(工学版) 上传者:夏亮

【摘要】覆冰导线的空气动力参数是导线舞动的关键因素.由于覆冰形状的多样性,风洞试验研究代价巨大,仅靠风洞试验提供覆冰导线的空气动力参数是不实际的,因此有必要采用数值模拟的方法.提出了基于面元法的覆冰导线空气动力参数的数值模拟方法,采用有粘性的绕流模型,编制计算程序对覆冰单导线随攻角变化的空气动力参数进行了数值模拟计算.该程序系统简单易用,能快速得到结果.通过比较,所得数值模拟结果与试验结果基本一致,一定程度上反映了覆冰单导线气动力的规律.该方法是一种实用、快速、有效的数值解法,为覆冰导线舞动计算与仿真的深入研究提供了一种有效的途径.

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覆冰导线的空气动力参数是影响导线舞动的一个重要因素,通常舞动仿真以风洞实验测量的空气动力参数为参照基础,舞动仿真所需空气动力参数通过插值获得,不可能完全符合实际的覆冰条件.风洞实验作为空气动力学研究的重要方法,由于存在费用高、周期长、测量精度和手段有限,以及试验模型和实际问题的等效性等方面的局限性,是无法满足实际工程的多样性需求的.因此,通过模拟计算来获取满足实际运用的覆冰导线空气动力参数,是从风洞实验到工程应用之间的一条重要桥梁和必经之路.随着计算机技术和计算流体力学(CFD)算法的进步,其中许多问题已经可能通过数值模拟分析来实现.目前,对于覆冰单导线气动特性的研究大都集中在风洞试验[1-2],华中科技大学曾对覆冰导线空气动力特性进行了一系列测试[3-5].近年来,有文献对覆冰导线气动力特性的数值模拟方法进行了探讨.文献[6]开展了基于fluent软件对新月形覆冰导线的气动力特性进行了数值模拟研究.文献[7]利用高阶有限差分的迎风格式,探讨网格模型的新月形覆冰导线的气动力特性的数值模拟研究.为了满足导线舞动计算与仿真的需要,本文在流体力学理论分析的基础上,提出了基于面元法的覆冰导线的空气动力参数的数值模拟方法.它可以对典型覆冰导线在各种风速、覆冰厚度和攻角条件下的升力系数、阻力系数与扭矩系数等进行数值模拟,计算结果直接供覆冰输电导线的舞动计算与仿真软件调用.1空气动力参数的定义空气动力参数的定义如下:CL=FLU2d/2(1)CD=FDU2d/2(2)CM=MU2d2/2(3)式中:CL为升力系数;CD为阻力系数;CM为力矩系数;FL为升力,N;FD为阻力,N;M为空气动力力矩,Nm;d为单导线直径,m.2面元法仿真计算2.1选用面元法计算的合理性面元法可用于高雷诺数、亚音速流动工程计算,例如机翼、汽车以及赛艇等绕流计算,若马赫数Ma<0.3,则适用于计算不可压缩流动.覆冰导线气动参数计算条件完全符合上述应用范围.风洞实验中,试验数据会受到近壁面(阻塞)效应和绝对攻角的不确定性的影响,使测量数据出现偏差,应用面元法可对其进行修正(小攻角时).2.2面元法原理简述对于不可压缩稳定流动,连续方程可写为&V=0,对于涡量有=&V,假定涡量=0,则有势函数满足V=&.根据前述V的表达式,该势函数必满足Laplace方程&2=0.求解出势函数后,就可计算:&2/2+p=constant进而计算表面压力系数:Cp=p-p$$V2$/2=1-&2/V2$将绕流物体表面划分成若干线段(面元),应用平面势流理论求解Laplace方程,如图1所示.图1绕流物体表面划分2.3面元法仿真计算面元法仿真计算分为两步,第一是不可压缩流体无粘性(势流)绕流计算,第二是不可压缩流体有粘性影响的绕流计算.1)无粘性绕流计算可以算出不同攻角(20以内)下的升力系数CL、阻力系数CD和力矩系数CM.但由于方法的局限性(即没有考虑流体粘性),只能计算形阻力而不能计算表面摩擦阻力,不能反映全部阻力情况,因此阻力系数CD计算值偏小.在攻角绝对值大于20后仿真结果失真,且无法算出失速拐点.2)有粘性绕流计算该方法改进了无粘性绕流计算,程序仿真的基本数学模型是:无粘性流动+粘性边界层模型.即在无粘性绕流计算的基础上,加上粘性边界层模型以及尾流模型,据此计算流体粘性的影响.首先应用面元法计算非粘性流动,程序有3种计算模型(即3种奇点分布模型)供选择:Constant-strengthsources、Constant-strengthdoublets、Line-arvortices.然后增加边界

参考文献

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