一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置和方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

本发明提供了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置，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。

优选的，还包括螺母；

所述模型钢管杆件两端通过螺母与所述滑轨转动连接。

基于同一设计思想，本发明还提供了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验方法，包括：

基于被测钢管杆件与铅垂面的夹角，在如权利要求1-2任一项风洞试验实验装置上调整模型钢管杆件与铅垂面的夹角；

基于风洞试验实验装置中的多个风压测点采集所述模型钢管杆件的风压；

根据所述风压计算所述模型钢管杆件阻力系数；

根据模型钢管杆件阻力系数计算所述被测钢管杆件的阻力系数。

优选的，所述基于被测钢管杆件与铅垂面的夹角，在风洞试验实验装置上设置针对所述被测钢管件设置的模型钢管杆件与铅垂面的夹角，包括：

统计被测钢管件所在输电塔塔身节段正和侧面的几何参数；

根据统计的参数计算所述被测钢管杆件与铅垂面的夹角；

根据所述被测钢管杆件与铅垂面的夹角，调整针对所述被测钢管件设置的模型钢管杆件在实验装置上与铅垂面的夹角。

优选的，所述被测钢管杆件与铅垂面的夹角的计算式为：

式中：β为被测钢管杆件与铅垂面的夹角，a为塔身节段上口宽度，b为塔身节段下口宽度，h为塔身节段高度。

优选的，所述根据模型钢管杆件阻力系数计算所述被测钢管杆件的阻力系数，包括：

计算所述模型钢管杆件与所述被测钢管杆件几何缩尺比；

根据几何缩尺比计算所述模型钢管杆件与所述被测钢管杆件的雷诺数；

根据雷诺数计算湍流强度修正系数；

根据湍流强度修正系数计算所述被测钢管杆件的阻力系数。

优选的，所述被测钢管杆件的阻力系数的计算式为：

cd＝ktcds

式中：cd为被测钢管杆件阻力系数，kt为湍流强度修正系数，cds为模型钢管杆件阻力系数。

优选的，所述模型钢管杆件阻力系数的计算式为：

式中：cds为模型钢管杆件阻力系数，n为钢管风压测点数量；cpi为第i测点的风压系数；αi为第i测点与风轴的夹角。

优选的，所述湍流强度修正系数的计算式为：

式中：kt为湍流强度修正系数；it为风洞来流湍流强度，it的取值根据雷诺数确定。

优选的，所述模型钢管杆件与所述被测钢管杆件的雷诺数的计算式为：

re＝vd/sν

式中：re为模型钢管杆件与被测钢管杆件的雷诺数，v为风洞试验的来流风速；d为被测钢管杆件直径；s为模型钢管杆件与被测钢管杆件的几何缩尺比；ν为空气黏性

与最接近现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置，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；

2、本发明提供了一种钢管杆件阻力系数的风洞试验方法，包括：基于被测钢管杆件与铅垂面的夹角，在风洞试验实验装置上设置针对所述被测钢管件的模型钢管杆件与铅垂面的夹角；采集所述实验模型钢管杆件在所述夹角下多个测点的风压；根据风压计算所述模型钢管杆件阻力系数；根据模型钢管杆件阻力系数计算所述被测钢管杆件的阻力系数；与传统的钢管杆件阻力系数风洞试验方法相比，实现了基于钢管杆件铅垂面在任意夹角下准确的测试钢管杆件阻力系数，保证了大规格钢管雷诺数的相似性、可以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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：钢管输电塔塔身正面与铅垂平面夹角β示意图；

图2：钢管杆件风洞试验铅垂平面夹角调节装置示意图；

图3：钢管杆件风洞试验测压点布置图；

图4：测点风压cpi随测点与风轴夹角αi的变化曲线；

图5：一种钢管杆件阻力系数的风洞试验方法流程图。

附图标记：

a-塔身节段上口宽度，b-塔身节段下口宽度，h-塔身节段高度，β-钢管杆件与铅垂面的夹角，1-为风洞壁，2-螺母，3-钢架，4-来流方向，5-模型钢管杆件，6-滑轨，7-风压测点，8-钢管杆件横断面；9-第i测点与风轴的夹角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种钢管杆件阻力系数的风洞试验装置，如图2所示，包括：设置于风洞壁1内的钢架3、设置于所述钢架3两端的滑轨6、长度可调的模型钢管杆件5和多个风压测点7；所述模型钢管杆件5两端与滑轨6连接；通过调整模型钢管杆件5的长度调整所述模型钢管杆件5的铅垂面夹角；所述风压测点用于测量来流方向4所带来的风压，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。

设计可以调节钢管杆件与铅垂面夹角β的连接装置，该装置由钢架、移动滑轨和螺母构成，钢管杆件两端分别与钢架上下两端的移动滑轨连接，通过调节钢管杆件端部在滑轨上的水平位置，调整钢管杆件端部在滑轨上的位置可以获得任意铅垂面夹角β。

进行钢管杆件阻力系数风洞试验时，钢管杆件铅垂面夹角β应覆盖按照实际钢管输电塔塔身和横担节段确定的统计值范围，铅垂面夹角β的间隔为1°。

在模型钢管杆件中间断面沿周向每隔角度α布置一个风压测点，整个钢管杆件横断面8共布置n个风压测点，布置方法如图3所示。

实施例2

一种钢管杆件阻力系数的风洞试验方法，如图5所示，包括：

步骤一：在风洞试验实验装置上调整模型钢管杆件与铅垂面的夹角；

步骤二：基于风洞试验实验装置中的多个风压测点采集所述模型钢管杆件的风压；

步骤三：根据所述风压计算所述模型钢管杆件阻力系数；

步骤四：根据模型钢管杆件阻力系数计算所述被测钢管杆件的阻力系数具体的，本发明提供的所述方法包括对典型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及湍流强度修正系数；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。

步骤a：确定风洞试验时钢管杆件与铅垂面的夹角范围，设计可调节钢管杆件与铅垂面夹角β的连接装置。

根据对典型钢管输电塔塔身节段正、侧面的几何参数进行统计，按照式(a)计算得到了输电塔塔身正面与铅垂面的夹角β，如图1所示，横担节段夹角的统计计算方法与塔身节段相同。钢管杆件铅垂面夹角β的计算式为：

式中：a为塔身节段上口宽度(m)，b为塔身节段下口宽度(m)，h为塔身节段高度(m)。

设计可以调节钢管杆件与铅垂面夹角β的连接装置，该装置由钢架、移动滑轨和螺母构成，钢管杆件两端分别与钢架上下两端的移动滑轨连接，通过调节钢管杆件端部在滑轨上的水平位置，调整钢管杆件端部在滑轨上的位置可以获得任意铅垂面夹角β。

进行钢管杆件阻力系数风洞试验时，钢管杆件铅垂面夹角β应覆盖按照实际钢管输电塔塔身和横担节段确定的统计值范围，铅垂面夹角β的间隔为1°。

步骤b：提出湍流强度与雷诺数及所在共振区间的对应关系及湍流强度修正系数。

结合风洞尺寸和钢管杆件原型尺寸，确定钢管杆件风洞试验模型几何缩尺比s，s＝1时即模型钢管杆件与原型钢管杆件一致；按照式(b)可计算模型钢管和原型钢管的雷诺数re。

re＝vd/sν(b)

式中：v风洞试验的来流风速(m/s)；ν为空气黏性，取值为1.45×10^-5m²/s；d为钢管杆件直径(m)。

根据输电塔钢管杆件雷诺数统计值可知，其共振区间可以分为亚临界区、临界区和超临界区三个范围，模型钢管杆件雷诺数一般位于亚临界区，若原型钢管杆件雷诺数也位于亚临界区，则模型钢管杆件阻力系数无需修正；若原型钢管杆件雷诺数位于临界和超临界区，采用式(c)计算的湍流强度修正系数kt对原型钢管杆件阻力系数进行修正。

式中：kt为湍流强度修正系数(当模型几何缩尺比例为s＝1时，kt＝1)；it为风洞来流湍流强度，原型钢管杆件雷诺数位于临界区和超临界区时，it分别取0.05和0.15。

步骤c：提出基于均匀来流下风压测试结果获得模型钢管杆件阻力系数的计算方法。

在模型钢管杆件中间断面沿周向每隔角度α布置一个风压测点，整个断面共布置n个风压测点。采用步骤a中的风洞试验装置调节铅垂面夹角β，测试特定铅垂面夹角β下n个测点的风压，此时来流为均匀流，利用压力累加法获得模型钢管杆件的阻力系数cds，模型钢管杆件阻力系数cds的计算式为：

式中：cds为模型钢管杆件阻力系数，n为钢管风压测点数量(n＝360/α)；cpi为第i测点的风压系数；αi为第i测点与风轴的夹角，测压片轴向与所在位置圆弧切线方向一致。

步骤d：提出基于风洞试验的原型钢管杆件阻力系数计算方法。

根据步骤a、步骤b，当步骤c中的被试钢管杆件的雷诺数与原型一致(s＝1)时，步骤c测得的模型钢管杆件阻力系数cds即为原型钢管杆件阻力系数cd；当步骤c中的被试钢管杆件缩尺比例较大，雷诺数效应与原型不一致时，根据步骤b确定的钢管杆件雷诺数与湍流强度之间的修正系数kt进行修正，原型钢管杆件的阻力系数cd的计算式为：

cd＝ktcds(e)

式中：cd为原型钢管杆件阻力系数，kt为钢管杆件雷诺数与湍流强度之间的修正系数。

与传统的钢管杆件阻力系数风洞试验方法相比，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。

实施例3

现应用具体实例介绍采用上述方法进行钢管杆件阻力系数风洞试验的过程。

以某1000kv输电线路钢管输电塔为例，塔身主材钢管规格为φ1016×20，原型钢管杆件高度为1.0m，试验来流风速v＝30m/s。

首先按照步骤a方法确定风洞试验时钢管杆件与铅垂面的夹角范围，设计可考虑钢管杆件与铅垂面夹角β的连接装置。根据对典型钢管输电塔塔身节段正、侧面的几何参数进行统计，按照式(a)计算得到了输电塔塔身、横担正面与铅垂面的夹角β，计算得到β的变化范围为1°～15°，特别的塔身某节段上口宽度a＝15.84m，下口宽度b＝17.22m，节段高度h＝6m，β＝arctan[(b-a)/2h]＝arctan[(17.22-15.84)/2/6]＝6.56°。

设计可以调节钢管杆件与铅垂面夹角β的连接装置，该装置由钢架、移动滑轨和螺母构成，钢管杆件两端分别与钢架上下两端的移动滑轨连接，通过调节钢管杆件端部在滑轨上的水平位置，调整钢管杆件端部在滑轨上的位置可以获得任意铅垂面夹角β。进行钢管杆件阻力系数风洞试验时，钢管杆件铅垂面夹角β的变化范围为1°～15°，铅垂面夹角β的间隔为1°。

按照步骤b方法，结合风洞尺寸和钢管杆件原型尺寸，确定钢管杆件风洞试验模型几何缩尺比s＝20，按照式(b)计算模型钢管杆件和原型钢管杆件的雷诺数分别为re＝vd/20ν＝1.051×10⁵和re＝vd/ν＝2.102×10⁶，原型钢管杆件和模型钢管杆件的雷诺数分别处于亚临界区和临界区，风洞来流湍流强度it＝0.05，采用式(c)计算的湍流强度修正系数kt对原型钢管杆件阻力系数进行修正，

采用步骤c方法，在模型钢管杆件中间断面沿周向每隔角度α＝3°布置一个风压测点，整个断面共布置n＝360/3＝120个风压测点。采用步骤a中的风洞试验装置调节铅垂面夹角β，测试特定铅垂面夹角β＝5°下120个测点的风压，测点风压cpi随测点与风轴夹角αi的变化曲线如图4所示，利用压力累加法按照式(d)模型钢管杆件的阻力系数

采用步骤d方法，根据步骤b确定的湍流强度修正系数kt＝0.82，根据步骤c测得的模型钢管杆件阻力系数cds＝1.12，按照式(e)计算原型钢管杆件的阻力系数cd＝ktcds＝0.82×0.72＝0.59。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。