超高输电铁塔气动噪声降噪技术研究_吴颖君.pdf

超高输电铁塔气动噪声降噪技术研究吴颖君卢正通，林晓波，吴易科曾长轩（国网舟山供电公司 浙江舟山海洋输电研究院有限公司）摘要：超高输电铁塔在保障居民和工业生产电力供应中起到了重要作用，由于其极高的高度，在风荷载作用下产生的气动噪声问题不容忽视。本文针对铁塔气动噪声问题，讨论了几种现有的圆柱气动噪声被动控制方案，并提出了一种波状柱体被动控制降噪设计方案。分别建立圆柱与波状柱体三维流场模型，进行了基于 方法的流场计算与气动噪声计算。结果表面，尾部加挡板的圆柱低频降噪的效果有限，尾部开槽的圆柱次之，圆柱表面加螺旋线的方案最优，其能够在全频段上降低气动噪声；波状柱体与圆柱体结构的涡量均沿展向分布，但波状柱体的涡量小于圆柱体结构，其波状构型在流场中起到了流动控制的作用；相比于圆柱结构，波状柱体结构的声压级受流场位置影响较小、整体波动较小。分析存在峰值的局部低频段可知，波状柱体结构的声压级曲线更为平滑，相对圆柱体结构整体降低 左右，峰值处降低 左右；因此，波状柱体是一种行之有效的降噪方案，该研究结论对于超高输电塔气动噪声特性的研究和输电塔的降噪设计具有指导意义。关键词：超高输电铁塔；气动噪声；降噪 引言随着我国电力事业的发展，超高压输电线路及超高输电铁塔数量日益增多，其在保障居民日常生活与工业生产中起到了重要作用。超高铁塔的主要支撑结构多为钢制圆柱体，容易受到自然风流动的影响，由于超高输电铁塔的气动噪声会严重影响周边居民的休息和工作（如图 所示），甚至引发多种疾病，因此开展超高输电铁塔气动噪声研究、解决噪声的扰民问题显得尤为迫切，研究具有重要的现实意义。图 铁塔噪声的组成电气技术与经济 研究与开发 根据莱特希尔建立的声比拟模型 揭示，由流动中的速度脉动、黏性应力以及熵波动的非线性相互作用产生的非稳定流动均会产生密度脉动（即声波）。而雷诺的研究表明，圆柱体周围的流动会在尾流中产生周期性的旋涡结构，涡脱的产生是气动噪声的主要来源。气动噪声的产生会对附近居民区居民的正常生活产生影响，因此，正确地计算气动噪声并通过对铁塔的主体结构进行优化而实现降噪设计就显得十分重要。本文将以铁塔支撑梁与电梯井的风噪降低为目标，进行优化设计方案研究，验证输电铁塔气动噪声降噪方案的可行性。降噪方案探讨人们已广泛地开展了关于圆柱结构的流动控制研究 ，并对常见的流动控制手段做了分类。基于沿柱体展向施加的扰动力特征，可以将控制方法分为二维扰动力和三维扰动力两类 。其中，常见的二维扰动力控制方法包括在柱体表面添加挡板、尾部添加分流板等；常见的三维扰动力控制方法包括施加展向变化的外部力、将柱体尾部展向修改为波形壁或直接修改为波状柱体等。基于控制位置的不同，又可以将控制方法分为边界层控制和直接修正两类。其中，常见的边界层控制方法包括改变物体表面粗糙度、在柱体头部添加涡发生器等。尽管流动控制方法已经得到了充分的研究，但针对柱体降噪设计的方案仍比较少。近年来，一些主动噪声控制方案和被动噪声控制方案开始应用于圆柱体结构的降噪设计 。其中，主动噪声控制方案是指预先估计结构产生的噪声，然后根据估计值采取各种预防措施，从而达到降低噪声的作用，包括在结构中注入液体和等离子体执行器等，由于结构整体尺寸较大，这种方案存在设计复杂、成本较高的问题。被动噪声控制方案是指对于已经产生的噪声，通过对声源点、传播途径等方面进行防护，从而达到降低噪声的作用，主要是通过调节圆柱体结构的形状和材料来实现降噪设计。图 所示为一些常见的被动控制设计方案。图 被动噪声控制方案有学者对上述被动方案中的几种进行了对比，如图 所示，选取了普通圆柱、尾部开槽圆柱、尾部加挡板圆柱、表面加螺旋线圆柱四种工况，对其进行了气动噪声的仿真，寻找最优的降噪方案 。仿真的声压级结果如图 所示，结果表明，、三种降噪方案均能在一定范围内降低圆柱绕流噪声，其中，尾部加挡板的圆柱低频降噪的效果有限，尾部开槽的圆柱次之，表面加螺旋线的方案最优 ，能够在全频段上降低气动噪声。电气技术与经济 研究与开发 图 几种被动降噪方案图 圆柱后方测点声压级对比除上述的几种降噪方案外，波状柱体结构作为一种简单有效的被动噪声控制方案得到了广泛应用。研究表明 ，波状柱体结构可以极大地抑制升力系数的振荡，产生比圆柱体结构二维剪切层更稳定的三维剪切层，能有效改变流场结构和背压分布，因此这种结构可以明显抑制柱面附近的压力波动，从而实现流动控制和降噪。因此，本文将对波状柱体的气动噪声进行仿真，通过与普通圆柱进行对比，明确其降噪性能，为铁塔降噪设计提供指导。波状柱体降噪设计与仿真根据前期大量的研究，气动噪声问题的控制方程可以通过直接数值模拟（）、大涡模拟（）和非稳态的雷诺平均模型（）进行求解。直接模拟方法的最大优点在于没有对湍流流动进行任何简化，理论上可以得到最接近真实值的结果 。试验测试证明，在一个 .的流动区域内，高雷诺数的湍流中包含尺度为 的涡。数值模拟过程中，网格大小不足以分辨最小涡的运动，能够采用的计算网格的最小尺度仍然比最小涡的尺度大许多。因此，一般只应用于理论研究。在工程实际中，只能放弃对全尺度范围上湍流的模拟，只将比计算网格大的湍流运动通过瞬态的 -方程进行求解，对比计算网格小的湍流运动对大尺度湍流运动的影响，通过近似的模型加以考虑，即 方法。方法对计算机内存及 的计算速度要求仍然很高，但已远远低于 方法。.波状柱体设计本文提出的柱体结构优化方案如图 所示。为波状柱体结构直径，沿着柱体展向呈正弦曲线变化，结构的跨度 为 。研究表明 ，该取值会带来比较好的减阻和抑制柱体振荡效果。为了讨论方便，规定波状柱体最大直径处为波峰，最小直径处为波谷，平均直径处为平均位置。()（）其中，为正弦曲线的波长；为平均直径，也是圆柱体结构的直径；为幅值系数；为波数。（）其中，为波状柱体结构的最小局部直径；为波状柱体结构的最大局部直径。电气技术与经济 研究与开发 图 波状柱体模型.计算模型与参数设置当流体处于湍流状态时，其状态复杂多变，不仅包含大大小小的涡团，而且涡团的尺度相当广泛。考虑到铁塔整体尺寸较大，为了节省计算时间，使用 方法对其进行气动噪声分析。的基本思想可概括为：用瞬时的 -方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接求解小尺度涡，而小尺度涡对大尺度涡的影响通过近似的模型来考虑。基于前面对于气动噪声分析方法的介绍，本节将通过 仿真和气动噪声仿真，分别对相同直径的圆柱体和波状柱体结构进行气动噪声分析。这里取平均直径 为 ，幅值系数 为 ，柱体中心在坐标原点处。计算域大小为 ，如图 所示。上下边界分别在距离柱体中心 和 处，顶部和底部边界都位于距离柱轴 处。初始条件对于流体计算相当重要，合适的初始条件可以保证计算尽快收敛和稳定。在圆柱体的固体壁面上应用了无滑移边界条件，在展向方向上定义了周期边界条件以忽略进出口效应对计算结果的影响，在计算域的其余部分表面上采用了自由边界条件。绘制自由四面体网格，并对柱体附近的网格进行加密，以保证计算结果的准确性，如图 所示，最终构建的圆柱体结构计算域完整网格包含 个单元，波状柱体结构计算域完整网格包含 个单元。图 柱状结构计算域（）圆柱体结构（）波状柱体结构图 柱状结构网格划分电气技术与经济 研究与开发 瞬态计算的总时长为 .，时间步长 为.，频率步长 为 ，最大计算频率 为 。为加快收敛，对初始条件的设置做如下处理：首先以时间步长 为 .进行粗糙计算，以获得湍流的初始条件，随后以时间步长 为 .进行精细计算，以获得精确的计算结果。.计算结果分析由于壁面剪切作用，柱体表面会产生涡量，图 所示为两种柱体结构表面的涡量分布对比图。圆柱体结构表面的涡量分布在跨度方向上均匀分布，波状柱体结构在波峰位置的涡量分布较大，在波谷位置的涡量分布较小，但整体分布小于圆柱体结构。（）圆柱体结构（）波状柱体结构图 两种柱体结构的表面压力分布分别取距柱体中心 、方向 、处 个观测点进行分析，则观测点的坐标分别为（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，）和（，）。最终得到圆柱体和波状柱体结构的声压级曲线如图 所示。（）圆柱体结构（）波状柱体结构图 两种柱体结构 频段声压级曲线可以看出，对于圆柱体结构而言，靠近柱体位置的观测点声压级更大，曲线波动更明显，这是因为空气在柱体附近受到阻碍，导致靠近柱体的区域产生的压力更大。对于波状柱体结构而言，柱体距离对观测结果产生的影响较小，声压级曲线趋势相似。对于两种柱体结构，靠近流场入口的观测点位置声压级曲线波动都相对较大，峰值更加明显。选择介于流场入口和柱体轴线间的观测点（，）进行后续分析。当对铁塔进行声学分析时，我们更关心其低频段性能，由图 可知，柱体结构的声压级曲线在 存在峰值，因此选择这一频段进行对比分析。对比 频段内，不同柱体结构在观测点（，）的声压级曲线，结果如图 所示。在频率为 左右，柱体结构的声压级曲线出现峰值，波状柱体的声压级峰值比圆柱体降低 左右。当频率小于 时，波状柱体和圆柱体的声压级大小接近，但波状柱体声压级曲线明显平滑，波动较小，在曲线峰值处，波状柱体的声压级低于圆柱体 左右；当频率大于 时，波状柱体的声压级低于圆柱体。以上分析说明，从降低声压波动和声压级大小两个角度，波状柱体可以实现柱体结构降噪。图 两种柱体结构低频段声压级曲线电气技术与经济 研究与开发 结束语本文针对铁塔气动噪声问题，讨论了几种现有的圆柱气动噪声被动控制方案，并提出了一种波状柱体被动控制降噪设计方案。分别建立圆柱与波状柱体三维流场模型，进行了基于 方法的流场计算与气动噪声计算，并对结果进行了比较分析，主要得出以下结论：（）尾部开槽、尾部加挡板、表面加螺旋线三种降噪方案均能在一定范围内降低圆柱绕流噪声，其中，尾部加挡板的圆柱低频降噪的效果有限，尾部开槽的圆柱次之，表面加螺旋线的方案最优，其能够在全频段上降低气动噪声；（）进行了波状柱体的流场仿真，从结果来看，波状柱体与圆柱体结构的涡量均沿展向分布，但波状柱体的涡量小于圆柱体结构，其波状构型在流场中起到了流动控制的作用；（）进行了波状柱体的声场仿真，相比于圆柱结构，波状柱体结构的声压级受流场位置影响较小、整体波动较小。分析存在峰值的局部低频段可知，波状柱体结的声压级曲线更为平滑，相对圆柱体结构整体降低 左右，峰值处降低 左右，因此，波状柱体是一种行之有效的降噪方案。参考文献 ，-，（）：-龙双丽，聂宏，许鑫不同雷诺数下圆柱绕流气动噪声数值模拟 声学技术，（）：-，-（）：，（）：-，（）：李启良，李卓明，魏峥圆柱与扭转柱杆件受电弓气动与噪声研究 同济大学学报（自然科学版），（）：-，a ，（）：，-，（）：-杜功焕，朱哲民声学基础 南京：南京大学出版社，（收稿日期：-）电气技术与经济 研究与开发