単一氷のギャロッピング特性に関する実験的研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5172 (2023) この記事を引用

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斜めの風向きの下では、氷で覆われた送電線のギャロッピングが時々観察されます。 しかし、ギャロッピング機構に関する現在の研究のほとんどは、送電線のスパンに対して垂直な流れを対象としています。 このギャップを解決するために、本研究では、風洞試験に基づいて、斜流下での氷で覆われた送電線のギャロッピング特性を研究します。 空力弾性氷被覆送電線モデルの風による変位を、風洞内の非接触変位測定装置を使用して、異なる風速と風向で測定しました。 結果は、ギャロッピングが楕円軌道と負の減衰によって特徴付けられ、これは直流 (0°) よりも斜めの流れの下で発生する可能性が高いことを示しています。 風向 15 度では、風速 5 m/s 以上で垂直方向のギャロップが観察されました。 風向 30° では、テストした風速の全範囲にわたってギャロッピングが観察されました。 さらに、斜めの流れの下でのギャロッピング振幅は、直流の場合よりも大きいことが観察されます。 したがって、冬季モンスーンの主要方位と送電線ルートの横方向の間の風向が 15° ～ 30° の場合、実際には適切なギャロッピング防止装置を強く推奨します。

氷で覆われた伝送線路のギャロッピングは、風の励起下での低周波、大振幅の自励振動として特徴付けられます。 ギャロッピングは、伝送線路や配線金具の疲労や損傷を引き起こす可能性があります。 さらに、送電鉄塔の倒壊を引き起こす可能性もあります1。 氷で覆われた送電線のギャロッピング機構は、送電線システムの防災・減災においてホットスポットとなっている。 解析手法、数値シミュレーション、現場測定、風洞試験は、氷で覆われた送電線のギャロッピング機構を研究するための主な手法です。

ギャロッピングの解析理論に関しては、Den Hartog2 が垂直振動を考慮するための単純化された 1 自由度の準定常モデルを提案しました。 Nigel3 は、Den Hartog の理論を拡張して、ねじり励起ギャロッピング機構を提案しました。 Yu ら 4,5 は慣性結合機構を開発しました。 着氷による偏心慣性による迎え角の変化により、揚力が横振動に正のフィードバックを与え、実質的なギャロッピング現象を形成していることが示されている。 上述の解析手法を用いてギャロッピングの発生条件と影響要因を考察した。 その結果、実践に向けてギャロッピングの理解が深まりました。 Liu et al.6 は、安定した風の条件に基づいて、氷結送電線の支配方程式に外部励振負荷を追加し、ギャロッピングのための新しい強制自励振動モデルを確立しました。 Liu et al.7 は、ギャロッピング方程式に対する摂動法によって得られた近似解の精度を分析しました。 これらの調査に基づいて、送電線のギャロッピングを抑制または排除するのに役立つ理論的な設計基準が提案されました。 しかし、実際の工学では、古典的な理論に基づいて計算された条件を超えてギャロッピングが発生することさえあり、より複雑な現実的な状況をさらに考慮する必要があることを示しています。

数値手法を使用して送電線のギャロッピングプロセスをシミュレートする大規模な試みが行われています。 Yan et al.8,9 は、空間曲ビーム理論に基づいて、送電線のギャロッピングをシミュレートするために、有限曲ビーム モデルと混合モデルという 2 種類の氷結導体ギャロッピング モデルを確立しました。 その結果、臨界風速の公式が提案された。 Wu et al.10 は、市販の CFD ソフトウェア FLUENT を使用して、2 つの束導体の周囲の空気の流れをシミュレートしました。 後流振動の数値シミュレーション手法を提案し、風洞データによって検証した。 その結果、ギャロッピングが発生した場合、副導体の軌道は水平楕円に近づくことがわかりました。 Meynen et al.11 は、2 次元層流単調和振動円柱問題を解くことにより、単一導体のエネルギー入力特性を数値的にシミュレートしました。 Clunia et al.12 は、層流および乱流における数値シミュレーションによって送電線の疲労寿命を分析しました。 Desai et al.13 は、凍った導体をシミュレートするためにねじり自由度を備えたケーブル要素を提案しました。 Xiong et al.14 は、氷で凍った導体のモーダル解析を実施し、3 次元曲線ビーム モデルを使用してそのギャロッピング性能を決定しました。 Zhang et al.15 は、4 本の束になった導体の空力弾性試験を実行し、さまざまなタイプの絶縁体を考慮して振動モードを分析しました。 これらの調査に基づいて、送電線のギャロッピングプロセスを数値的に再現することができます。 風力と送電線の間の相互作用について議論しました。 しかし、計算の精度と効率が複雑で欠陥があるため、実際の工学への応用は限られていました。