[发明专利]一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置和方法

说明书

本发明提供了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置和方法，包括：设置于风洞内的钢架(3)、设置于所述钢架(3)两端的滑轨、长度可调的模型钢管杆件和多个风压测点；所述模型钢管杆件两端与滑轨连接；通过调整模型钢管杆件的长度调整所述模型钢管杆件的铅垂面夹角；所述多个风压测点分布于所述模型钢管杆件上，且在所述模型钢管杆件圆周方向每隔预设角度布置一个，实现了钢管杆件铅垂面在任意夹角下测试风压，为准确的测试钢管杆件阻力系数提供试验支持。

技术领域

本发明涉及输电线路风荷载阻力系数风洞试验领域，具体涉及一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置和方法。

背景技术

格构式输电塔一般由角钢杆件和钢管杆件组成，其节段风荷载可分别采用单片桁架阻力系数和杆件阻力系数进行计算，而基于杆件阻力系数的输电塔风荷载计算方法更为精细化。风洞试验是研究输电塔节段和杆件风荷载阻力系数的重要手段。由于角钢受雷诺数效应影响不明显，常规大气边界层风洞可以满足其阻力系数的测试要求，风洞试验方法也较为成熟。钢管输电塔风荷载效应属于典型的钝体绕流范畴，常伴有气流分离、再附和旋涡脱落等现象，其雷诺数效应较为复杂。

目前钢管杆件风洞试验方法及系统主要存在三个不足：一是未考虑输电塔钢管杆件与铅垂面夹角对杆件阻力系数的影响，二是受风洞尺寸和钢管杆件尺寸限制无法满足雷诺数相似的要求，三是高频天平测力法无法有效测试大规格钢管杆件阻力系数并反映圆周方向的阻力差异。上述三个不足导致按照传统风洞试验方法确定的钢管杆件阻力系数的精确度有待提高，三方面的不足具体论述如下：

(1)钢管杆件风荷载阻力系数风洞试验时，杆件均放置在水平或铅垂平面内；对输电塔结构而言，由于组成节段沿高度或长度方向有一定倾斜，杆件实际安装位置与铅垂面之间的夹角会对杆件风荷载阻力系数产生影响，这一影响在以往的风洞试验中均未考虑。

(2)传统的钢管塔塔身或横担的风洞试验研究中，由于风洞尺寸和输电塔结构尺寸的限制，钢管塔模型的缩尺比较大，对于低速风洞，满足雷诺数相似的风速相似系数一般无法达到。模型表明表面粗糙化技术也不能真正消除雷诺数影响，因而很多钢管杆件风洞试验中放弃雷诺数的相似要求，即不考虑雷诺数差异对钢管模型阻力系数的影响。目前有关雷诺数对钢管杆件阻力系数影响的研究尚无统一结论，国外一般基于澳大利亚的钢管塔架阻力系数随雷诺数的变化曲线修正，但是该曲线所依据的风洞试验数据时间较为久远，受当时风洞品质和测试仪器的限制，其可靠性也面临挑战。结合现有低速边界层风洞试验能力，通过增加湍流度等其他技术方式来解决雷诺数相似难题，是钢管杆件风洞试验技术的发展趋势。

(3)钢管杆件阻力系数风洞试验，一般采用端部连接的高频测力天平测试来流作用下的六分量力值，进而通过计算得到钢管杆件风荷载阻力系数。其局限在于大规格钢管杆件难以选择量程合适的测力天平直接测试阻力，且沿钢管圆周方向的阻力差异明显，这种差异通过天平测力无法体现，需要采用基于多点风压测试的方法获得钢管杆件阻力分布及整体阻力系数。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请设计了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置和方法，本方法首先对典型钢管输电塔塔身及横担正、侧面与其对应铅垂面的夹角进行统计分析，确定风洞试验时钢管杆件与铅垂面的夹角范围，设计可考虑铅垂面夹角的钢管杆件风洞试验装置；测试不同雷诺数和湍流强度下的钢管杆件阻力系数，提出湍流强度与雷诺数及所在共振区间的对应关系；按照角度间隔沿钢管圆周均匀布置风压测点，提出利用风洞试验测压方法获得钢管杆件阻力系数的计算方法；最后提出一种有效考虑上述三个因素影响的钢管杆件阻力系数风洞试验方法和系统，为更为准确的测试钢管杆件阻力系数提供参考和依据。与传统的钢管杆件阻力系数风洞试验方法相比，本发明方法解决了未考虑钢管杆件铅垂面夹角、大规格钢管雷诺数相似性无法保证、天平测力法无法准确测试大规格角钢阻力系数并反映周向阻力分布特征的问题，具有更好的适用性和更高的精度。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：