扰流板对钢管构件涡激振动抑制效应的数值模拟研究★

单 强 刘 辉 周二彪 胡 奎 李光应 黄 国

(1.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000; 2.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000; 3.国网阿克苏供电公司，新疆 阿克苏 843000; 4.中国电力科学研究院有限公司，北京 100055)

1 概述

在电力工程建设中，存在许多钢管构件，比如钢管避雷针、钢管塔中的钢管杆件等等。当风速合适时，钢管构件会发生涡激共振。这是因为气流流经钢管时，会在尾流区形成交替脱落的旋涡，产生垂直于流向的脉动升力。当脉动升力的频率与钢管的固有频率相近时，钢管就会发生涡激振动，对安全运行造成影响[1,2]。钢管构件的临界起振风速与其长细比有关，长细比大的钢管构件临界起振风速低，容易发生涡激振动[3,4]。常规的手段是通过加装扰流板或者扰流线，改变其气动外形，对涡激振动进行控制[5,6]。考虑到发生涡振地区的风向不定，通常情况下，扰流板或扰流线环绕钢管四周布置。但是对于主导风向常年比较固定的地区，环绕四周的安装方式会造成钢材浪费，增加自重。沿钢管通长方向安装一块条形扰流板也可以改变其气动外形，扰乱钢管尾涡的规则脱落。扰流板的朝向，即扰流板与风向的夹角是影响减振效果的关键参数，本文对这一关键参数进行研究。

2 计算模型

流场控制方程采用Navier-Stokes方程，如式(1)，式(2)表示：

(1)

(2)

其中，ρ为空气密度；ui(i=1,2,3)分别为在直角坐标x(x1),y(x2),z(x3)方向的流体速度分量；fi为作用在流体单位质量上作用力的分量，σij为体积元dV的内部应力。▽代表哈密尔顿算子，其在直角坐标系下可以写为：

(3)

钢管在流体作用下的振动模型可以近似地简化为一个弹簧振子体系。因为圆柱体扭转影响较小，所以不考虑扭转自由度的影响，只考虑Y方向的平动自由度。如果将体系的质量、弹簧刚度和阻尼分别用M,K和C表示，可以将单自由度振动模型用如下的方程表示为：

(4)

(5)

(6)

其中，U∞为来流的速度；D为结构的特征尺寸；CL(t)为圆柱受到的升力系数；CD(t)为圆柱受到的阻力系数；FD(t)为圆柱体受到的阻力对圆柱长度的均值。

采用弱耦合方法依次求解流场和圆柱响应。在流场求解中获得圆柱壁面上的荷载，再将荷载施加到圆柱体求解其结构响应，之后再将结构响应反馈给流场。每求解一步，流场更新一次网格，往复循环实现流固耦合。

3 几何建模

3.1 流场网格划分

计算域如图1所示，流域入口边界宽20D，长度35D，中部划分了5D×5D的区域包裹圆柱。采用结构化网格划分计算域，内部核心区域划分的网格如图2所示。

3.2 边界条件

在求解中，流域入口采用速度入口边界条件，流域出口采用压力出口边界条件，上下壁面均采用对称边界条件，圆柱表面为无滑移壁面边界。流动选为非定常流动，湍流强度设置为1%(见图3)。

4 仿真结果

在计算中，以直径40 mm铝制圆管的涡激振动为研究对象，主要研究扰流板肋板周角对圆管涡激振动的抑制效果。采用2D网格进行大涡模拟，为简化模型，将扰流板视为沿着圆管通长布置。工况设置如表1所示。

表1 模拟工况

以工况3为例，直径为40 mm的圆管，在120°(右下方)附加肋板高度为20 mm的扰流板。在涡激共振区内，逐步测试不同风速下圆管的竖向振动位移，最终发现在3.75 m/s风速下，圆管的竖向振幅达到了最大。由图4压力云图可以看出，增加扰流板后，在圆管尾流区不能形成明显的卡门涡街，可以起到抑制圆管的涡激振动。

圆管振动稳定后，得出工况1～工况4条件下圆管的振幅以及阻力系数、升力系数，见表2。

表2 仿真结果

根据表2中的仿真结果，可知扰流板在90°和180°肋板周角情况下减振效果较好，120°肋板周角的减振效果不明显。但对比90°和180°肋板周角工况，可以看到，90°肋板周角工况下会增大迎风阻力，增大风荷载，对安全不利。而180°肋板周角工况，可以同时显著减小圆管阻力系数和升力系数，对安全运行有利。综上考虑，布置180°肋板周角扰流板最为合理。

5 结语

沿圆管通长布置扰流板，在90°和180°肋板周角情况下可以取得较好的减振效果，120°肋板周角的减振效果不明显。而90°肋板周角工况下会增大迎风阻力，180°肋板周角工况可以同时显著减小圆管阻力系数和升力系数。因此，布置180°肋板周角扰流板最为合理。