【好文推荐】特高压输电塔龙卷风荷载特性的数值模拟
引文信息
张顺, 王振国, 姜文东, 等. 特高压输电塔龙卷风荷载特性的数值模拟[J]. 中国电力, 2023, 56(10): 153-163.
ZHANG Shun, WANG Zhenguo, JIANG Wendong, et al. Numerical study of ultra-high voltage transmission tower wind loads characteristics against tornado[J]. Electric Power, 2023, 56(10): 153-163.
摘要
采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟方法研究了龙卷风作用下特高压输电塔的风荷载特性。通过建立龙卷风风场的CFD数值模型，验证了龙卷风风场结构的合理性。进一步建立特高压输电塔的精细化数值模型，重点分析了风场中不同位置和不同风向角下输电塔各塔段的体型系数。研究结果表明：输电塔上部第1~4塔段在距离龙卷风风场中心1.5D（D为核心半径）处所受风荷载最大，下部第5~9塔段在距离龙卷风风场中心1.0D处所受风荷载最大；输电塔整体在距离龙卷风风场中心1.0D处所受风荷载最大。随着与龙卷风中心距离的增大，输电塔整塔横向风载系数最不利风向角从60°增大至90°，纵向风载体型系数最不利风向角在0°~30°范围内变化。在距离风场中心1.0D和1.5D处，输电塔整塔风载体型系数模拟值要大于规范值。
结论本文建立了实尺龙卷风风场的数值模型，采用CFD数值模拟获得了单涡龙卷风风场结构特性，研究了龙卷风风场中特高压输电塔结构的龙卷风荷载特性，并探寻了风载体型系数随位置和风向角的变化规律，得到如下结论。
1）以雷达实测数据为入口驱动形成的实尺的龙卷风风场，最大切向风速和核心半径的数值模拟结果与Spencer龙卷风的实测结果具有很好的一致性，最大切向风速和核心半径与实测值的最大误差不超过5%。
2）输电塔上部第1~4塔段在距离龙卷风风场中心1.5D处所受龙卷风荷载最大，下部第5~9塔段在距离龙卷风风场中心1.0D处所受龙卷风荷载最大。输电塔整体所受的龙卷风荷载在距离龙卷风风场中心1.0D处达到最大值。
3）随着与龙卷风中心距离的增大，输电塔整塔横向风载系数最不利风向角从60°增大至90°，纵向风载体型系数最不利风向角在0°~30°范围内变化。
4）在距离风场中心1.0D和1.5D处，输电塔整塔风载体型系数的模拟值大于规范值；各塔段（除距离风场中心1.5D处第7~9塔段）的模拟值也均大于规范值，这对此类特高压输电塔结构抗龙卷风的安全性不利。
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审核：方彤