1 前言
　　
　　输电导线在冻雨等天气时易形成覆冰，覆冰后导线截面成为非圆形截面，在自然风作用下易发生低频大振幅的舞动，造成断线倒塔等事故，对输电线路的安全构成严重威胁。许多国内外资料都表明，在相同气象环境下，分裂导线比单导线更容易发生舞动，气动力特性是研究导线舞动及防舞的基础。国内外研究输电线舞动行为时，通常是把静态试验得到的气动力系数用于动态驰振的机理分析和舞动的数值模拟研究，对其精确性进行详细研究的学者并不多。由于覆冰导线实际的气动力随时间和导线位置、速度等时刻变化，这种“准静态”假设并不完全适用，对于分裂导线，迎风侧子导线动态时尾流对背风侧子导线的影响与静态时也不相同，因此研究覆冰导线舞动时，有必要采用动态试验和模拟的方法来考察动态气动力系数，以便进一步准确预测和抑制舞动。
　　
　　国外Kimura等和Shimizu等对类似新月形覆冰导线在横向振动和扭振状态下的升力和扭转系数进行试验研究，验证了静态气动力系数在一定程度上的适用性，比较了动态气动力与静态气动力的不同。Braun等使用Newmark-β方法求解动力平衡方程，建立流固耦合模型分析了分裂导线的绕流场。
　　
　　由于动态气动力系数的获得需要更为复杂的试验设备和装置，特别是大档距时，舞动振幅较大，需要更大的试验空间，风洞实验耗资巨大，同时舞动问题具有随机性和多样性，相似准则不容易实现。本文采用数值方法，从弱耦合角度出发，基于流体动力学仿真软件Fluent，利用用户自定义函数UDF对四分裂导线的舞动轨迹进行编程并结合动网格技术实现流固耦合，研究覆冰导线在横向振动下气动力系数的变化规律，分析尾流对气动力特性的影响。该研究可为准确分析覆冰多分裂输电线路的动力学特性和设计输电线路提供依据。
　　
　　2 气动力系数
　　
　　2.1计算模型
　　
　　以新月形覆冰四分裂导线为研究对象，根据文献中的风洞试验模型，选取导线直径D为27.6mm，覆冰厚度H为12mm，子导线间距A为450mm，风速为14m/s，如图1(a)。
　　
　　建立计算模型时，为了使尾流能充分发展，减小边界对流场计算的影响，计算域根据阻塞率不大于3%，取为-68D≤x≤83D，-54D≤y≤54D，坐标原点为初始时刻子导线1的中心，四根子导线运动方式相同，且保持相同的风攻角；采用分块非结构化网格，总网格数约为14万，计算步长为0.004s。
　　
　　动态模拟时，覆冰导线运动区域定义为动网格，该部分网格随覆冰导线截面的运动而变化，用弹簧光顺法和尺度函数修改网格形状及尺度，在覆冰导线所在的中心及动网格区域局部加密，图1(b)为动态计算区域示意图。根据相关公式，利用VC++编写用户自定义函数控制导线舞动的轨迹及速度，导线按逆时针方向舞动。
　　
　　图1 模型计算及区域示意图 放大图片
　　
　　图1 模型计算及区域示意图
　　
　　静、动态模拟边界条件相同，入口为速度入口，出口为压力出口，上、下两侧采用对称边界条件，覆冰导线的表面为壁面。
　　
　　2.2结果分析
　　
　　图2为静、动态气动力系数的比较曲线，二种气动力系数随攻角的变化规律相同。迎风侧子导线的尾流对背风侧子导线周围流场的影响，使背风侧子导线受到的气动力减小，尤其是阻力和扭转系数。攻角为0°和180°时，子导线1、2迎风的截面积*小，阻力系数*小，90°攻角时，子导线1、2迎风的截面积**，阻力系数**，这时尾流效应*明显。
　　
　　对于迎风侧子导线1、2，动态气动力系数略大于静态值，而背风侧子导线3、4，动态阻力系数比静态大0.1~0.21，动态升力系数比静态值**相差0.48，动态扭转系数比静态值**相差0.14。显然，动态时迎风侧和背风侧的气动力系数的差别减小，90°攻角处迎风侧子导线的阻力系数比背风侧大0.65（静态时为0.78）；40°攻角处，扭转系数大0.2（静态时为0.35）。
　　
　　图2 静、动态气动力系数的比较曲线 放大图片
　　
　　图2 静、动态气动力系数的比较曲线
　　
　　分裂导线动态气动力与运动时导线的位置和速度有关，以攻角60°为例，静态及动态四分裂导线一个周期内不同位置时网格、速度与压力分布如图3所示。2s为一个周期，导线在第二个周期内，2.4s和4s时导线自下向上运动，迎风侧子导线的尾流向下偏移；2.8s和3.2s时导线自上向下运动，迎风侧子导线的尾流向上偏移；3.6s处于椭圆轨迹长轴上的*远点，尾流呈水平方向，与静态时的尾流相同。
　　
　　与静态时相比（图3(a)），导线自下向上运动时(对应图3(b))，水平振动速度方向与来流速度方向相反，合成后使速度减小，驻点压力增加，分离点向覆冰一侧前移，背风面压力降低，阻力增加；垂直方向振动使顶部速度增加，负压增大，底部负压减小，使升力增大。
　　
　　导线自上向下时(对应图3(c))，水平振动速度方向与来流速度方向一致，合成后使速度增大，驻点压力减小，且位置下移，底部分离点后移，但覆冰侧的分离点基本没变，背风面负压区的压力仍比静态时小，因此阻力变化不明显；垂直方向振动使底部速度增加，压力减小，由于底部形状为圆弧，底部负压区域减小，顶部负压区域增大，升力略有增加。
　　
　　综合整个周期，导线的动态气动力系数的平均值均大于静态值。由于导线舞动时，迎风侧子导线尾流的偏移，使背风侧的子导线受到迎风侧尾流的压力和速度的影响减小，故背风侧子导线的动态气动力系数比静态时显著增加。
　　
　　图3 静、动态网格、速度与压力云图 放大图片
　　
　　图3 静、动态网格、速度与压力云图
　　
　　3 结论
　　
　　（1）四分裂覆冰导线在横向振动下各攻角的动态气动力系数均大于静态值，二者变化规律基本相同；
　　
　　（2）导线舞动时，迎风侧子导线尾流偏移，压力和速度对背风侧子导线的影响减小，背风侧子导线的动态气动力系数比静态时明显增加；
　　
　　（3）工程中采用静态气动力系数预测舞动引起断线的临界风速以及设计防舞器时，应考虑动态气动力特性对舞动的影响。
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