基于S-A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法技术

本发明专利技术公开了基于S

【技术实现步骤摘要】
基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法


[0001]本专利技术涉及钻井卡瓦
，具体为基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法。

技术介绍

[0002]随着我国高压、超高压输电线的不断发展，其覆冰后受风荷载的作用产生的流致效应越来越受到众多学者的关注和研究。当流体从结构物表面绕流时，流体会给结构物一个激励，进而诱发结构物的振动。覆冰输电线路的振动形式主要表现为涡激振动和舞动涡激振动表现为风从输电线绕流后，漩涡在尾流区的交替脱落，引起输电线的周期性振动。当风绕流输电线形成的气动力系数随着风攻角的变化，触发邓哈托舞动机理时，覆冰输电线将产生低频、大振幅的自激振动，即舞动。无论是涡激振动还是舞动，对风绕流覆冰输电线的绕流形态和气动力系数的研究都十分重要。采用风洞试验进行气动力系数测定，是行之有效的手段之一，但试验成本较高，对流场形态的研究也不够细致。数值算法中基于雷诺时均方程模拟法(RANS法)进行绕流数值模拟已成为众多学者的研究热点。
[0003]相较于kr/>‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于，所述覆冰输电线流场有限元分析方法具体包括如下步骤：步骤一，确定覆冰输电线物理模型及工况；步骤二，建立覆冰输电线的无量纲边界条件和初始条件；步骤三，构建覆冰输电线流场有限元网格；步骤四，湍流流场控制方程；步骤五，构建求解控制方程的有限元数值算法，其中包括时间离散、空间离散和数值求解流程；步骤六，覆冰输电线数值计算结果分析。2.根据权利要求1所述的基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于：所述步骤一中建立覆冰输电线物理模型的条件，输电线为LGJ
‑
240型号，直径为26.8mm，并采用新月形覆冰模型，考虑三种覆冰厚度的情况，以输电线直径为特征长度，对模型进行无量纲化，无量纲化后尺寸如下：输电线直径D＝1，小圆直径d1＝0.2633，覆冰厚度H分别0.25，0.5和1.0，其中H＝0.5的物理模型如图1所示，空气密度为1.25kg/m3，动力粘度系数为1.72
×
10
‑5pa.s，风速为10m/s，对应的雷诺数Re＝20000，风向采用风攻角表示，数值计算从0
°
到180
°
(Δα＝10
°
)的工况，局部气动力系数随风攻角变化剧烈处，按进行加密计算。3.根据权利要求1所述的基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于：所述步骤二中建立覆冰输电线的无量纲边界条件和初始条件，考虑二维均匀来流风的情况，无量钢化后，入口为速度入口边界条件，即水平速度u
x
为1，竖向速度v
y
为0，辅助标量为3；不考虑风与覆冰输电线的耦合作用，即将输电线固定不动，为无滑移边界条件，对应的速度为辅助标量均为0；出口为压力出口，即压力p为0，其余项水平方向梯度为0；上下边界为滑移边界条件，即竖向速度为0，水平速度和辅助标量沿竖向的梯度为0，如图2所示，图中x，y分别表示水平和竖直方向。4.根据权利要求1所述的基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于：所述步骤三中构建覆冰输电线流场有限元网格，流场区域大小为Ω[
‑
16,36]
×
[
‑
16,16]，并采用线性四边形单元对空间进行网格划分，如图3所示。5.根据权利要求1所述的基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于：所述步骤四湍流流场控制方程采用一方程S
‑
A模型标量方程封闭的非定常不可压缩流无量纲RANS方湍流控制程；其中，下角标i和j表示空间张量指标，二维空间坐标时，取值为1，2，如x1表示水平x方向，x2表示竖直y方向，(x和y)表示二维平面坐标；u1表示水平方向速度u
x
，u2表示竖直方向
速度v
y
；t表示时间；p表示压力；表示湍流辅助标量，ν表示运动粘度，ν
t
表示涡粘系数，可通过辅助标量场获得：其中参数f
v1
，c
b1
，c
b2
，σ，c
w1
，f
w
为S
‑
A模型中的过程量；引入以下无量纲化表达式：式中p
*
、t
*
、和分别表示无量纲化的坐标、速度、压力、时间、湍流辅助标量和涡粘系数，U
∞
、ρ、D分别表示流场入口速度，密度和特征尺寸(即输电线直径)；为方便表达，略去无量纲化表达式上的“*”号，可得无量纲化控制方程：其中过程参数的表达式为：其中过程参数的表达式为：g＝r+c
w2
(r6‑
r)，式中，d表示网格节点到固壁的最小距离，Ω
ij
表示涡量；常数参数：c
b1
＝0.1355，σ＝2/3，c
b2
＝0.622,κ＝0.41，c
w1
＝3.2391，c
w2
＝0.3，c
w3
＝2，c
v1
＝7.1；于由式(3)中含有非线性对流项，当采用标准的Galerkin有限元方法进行空间离散时，得不到最优解，因此，沿流线进行坐标变换后得到无对流项控制方程：式中，x
′
i
、s
′
分别表示动坐标系下的坐标和弧坐标。6.根据权利要求1所述的基于S
‑
A湍流模型的覆冰输电线流场有限元分析方法，其特征在于：所述步骤五中时间离散；现引入中间辅助速度，将式(4)中的动量方程沿特征线分裂成以下两式：
其中Δu
i
表示速度修正项，上式中忽略了含有速度修正项Δu
i
的高阶小项为提高计...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖绍凯，曹鹏程，
申请(专利权)人：嘉兴南湖学院，
类型：发明
国别省市：