【摘要】：本課題受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《熱力耦合場中高壓架空輸電線微風(fēng)振動效應(yīng)與疲勞壽命評估》(批準(zhǔn)號:51578512)的資助。高壓架空輸電是我國電力供應(yīng)的主要模式。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用電需求日益激增,用電高峰期電網(wǎng)輸送能力的瓶頸問題日益突出。在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下,對既有高壓輸電線路進(jìn)行擴(kuò)容改造,適當(dāng)提高現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的高壓輸電導(dǎo)線運(yùn)行溫度,可以增大電力系統(tǒng)穩(wěn)定載流量,從而提高并充分挖掘輸電線路輸送潛力,降低因新建高壓輸電線路而帶來的各種投資成本和社會成本,這對我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在高壓架空輸電線的正常運(yùn)行工作中,載流引起的焦耳熱是輸電線溫升的重要因素,因此,在輸電線與外環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效快速的熱交換,是保證線路高載流量和穩(wěn)定輸送能力的重要保證。在目前技術(shù)條件下,輸電線與外環(huán)境之間熱交換的主要途徑是導(dǎo)線與外環(huán)境溫差引起的對流散熱(包括自然對流和強(qiáng)制對流)。在強(qiáng)制對流散熱模式下,來流風(fēng)同時(shí)還會引起輸電線的振動,其中,微風(fēng)振動發(fā)生的概率最大,持續(xù)的時(shí)間最長。在以往的研究中,圍繞輸電線風(fēng)致振動問題的研究一直是個(gè)熱點(diǎn),但是研究重心大都集中在輸電線受力性能的角度上,對于風(fēng)致振動影響輸電線對流散熱性能的研究則相對不足。事實(shí)上,從傳熱學(xué)和電工學(xué)的角度來看,長時(shí)間適度的風(fēng)致振動(如微風(fēng)振動)對輸電線對流散熱有較好的加強(qiáng)作用,因而可以提高線路的穩(wěn)定載流量。因此,從保證線路動態(tài)增容最大載流量,滿足高峰期用電需求功能的角度出發(fā),深入研究高壓架空輸電線微風(fēng)振動強(qiáng)化換熱特性,具有重要的理論意義和研究價(jià)值,同時(shí)也可以為高壓輸電線路的日常管理維護(hù)提供技術(shù)支持。本文基于計(jì)算流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的方法,對輸電單導(dǎo)線固定繞流特性以及換熱特性進(jìn)行了研究,采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法建立了流固耦合的數(shù)學(xué)模型,并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了本文流固耦合方法的正確性。在上述工作的基礎(chǔ)上,采用流固耦合方法針對單導(dǎo)線和雙分裂導(dǎo)線在不同工況下的氣動力特性、繞流特性、振幅響應(yīng)以及換熱特性進(jìn)行了研究。研究的具體內(nèi)容及結(jié)論如下:第一,首先利用流體力學(xué)軟件Fluent研究了固定單導(dǎo)線氣動特性及微風(fēng)振動時(shí)的換熱特性,在考慮恒熱流以及恒壁溫兩種邊界條件的基礎(chǔ)上,對模擬結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,擬合了符合實(shí)際導(dǎo)線運(yùn)行環(huán)境下努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)變化的公式。第二,采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法針對雷諾數(shù)Re=200的單圓柱渦激振動進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與文獻(xiàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了本文模擬方法的正確性,在此基礎(chǔ)上分析了單圓柱振動強(qiáng)化換熱效應(yīng),得到了振幅響應(yīng)、鎖定區(qū)間對強(qiáng)化換熱的影響規(guī)律。最后,結(jié)合實(shí)際輸電線路運(yùn)行工況,調(diào)整風(fēng)速進(jìn)行單導(dǎo)線微風(fēng)振動強(qiáng)化換熱效應(yīng)的研究,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、雷諾數(shù)等對換熱效果的影響。第三,考慮到實(shí)際高壓架空輸電線多采用多分裂導(dǎo)線的形式,本文以雙分裂導(dǎo)線為例,分析了導(dǎo)線不同布置方式、子導(dǎo)線間距比等參數(shù)對雙分裂導(dǎo)線氣動特性以及換熱效果的影響。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM75

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本文編號：2592095