Estudo experimental sobre as características galopantes do gelo único

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5172 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O galope de linhas de transmissão cobertas de gelo é ocasionalmente observado sob direções oblíquas do vento. No entanto, a maioria das investigações atuais sobre os mecanismos de galope são para fluxo perpendicular ao vão das linhas de transmissão. A fim de preencher esta lacuna, esta pesquisa estuda as características de galope de linhas de transmissão cobertas de gelo sob fluxos oblíquos com base em testes em túnel de vento. O deslocamento induzido pelo vento de um modelo de linha de transmissão aeroelástica revestida com gelo foi medido com um equipamento de medição de deslocamento sem contato em um túnel de vento em diferentes velocidades e direções do vento. Os resultados mostram que o galope é caracterizado por trajetórias elípticas e amortecimento negativo, o que é mais provável de ocorrer sob fluxos oblíquos do que no fluxo direto (0°). Na direção do vento de 15°, foi observado um galope na direção vertical em velocidades de vento acima de 5 m/s. Na direção do vento de 30°, foi observado galope em toda a faixa de velocidades do vento testadas. Além disso, observa-se que as amplitudes galopantes sob fluxos oblíquos são maiores do que nos fluxos diretos. Consequentemente, quando a direção do vento entre o azimute principal das monções de inverno e a direção lateral da rota da linha de transmissão está entre 15° e 30°, dispositivos anti-galope apropriados são altamente recomendados na prática.

O galope de uma linha de transmissão coberta de gelo é caracterizado como uma vibração autoexcitada de baixa frequência e grande amplitude sob a excitação do vento. Galopar pode causar fadiga e danos às linhas de transmissão e acessórios de fiação. Além disso, pode até provocar o colapso da torre de transmissão1. O mecanismo galopante das linhas de transmissão cobertas de gelo é um problema crítico na prevenção de desastres e na mitigação dos sistemas de linhas de transmissão. Métodos analíticos, simulações numéricas, medições de campo e testes em túnel de vento são os principais métodos para estudar o mecanismo de galope de linhas de transmissão cobertas de gelo.

Em termos das teorias analíticas do galope, Den Hartog2 propôs um modelo simplificado de um único grau de liberdade quase estacionário para considerar a vibração vertical. Nigel3 propôs um mecanismo de galope excitado por torção estendendo a teoria de Den Hartog. Yu et al.4,5 desenvolveram um mecanismo de acoplamento por inércia. É indicado que, devido à mudança no ângulo de ataque causado pela inércia excêntrica resultante da formação de gelo, a força de sustentação fornece feedback positivo à vibração lateral, formando assim um fenômeno de galope substancial. Usando os métodos analíticos mencionados acima, as condições de ocorrência e os fatores que influenciam o galope são discutidos. Consequentemente, a compreensão do galope foi aprimorada para a prática. Liu et al.6 adicionaram uma carga de excitação externa à equação governante de linhas de transmissão congeladas com base na condição de vento estável, estabelecendo assim um novo modelo de vibração autoexcitada forçada para galope. Liu et al.7 analisaram a precisão de soluções aproximadas obtidas pelo método de perturbação nas equações galopantes. Com base nessas investigações, foram propostos critérios teóricos de projeto que são úteis para restringir ou eliminar o galope das linhas de transmissão. No entanto, na engenharia prática, o galope ocorre ocasionalmente além da condição calculada com base nas teorias clássicas, indicando que situações realistas mais complexas devem ser consideradas mais detalhadamente.

Enormes tentativas são realizadas para simular o processo galopante de linhas de transmissão usando métodos numéricos. Com base na teoria do feixe curvo espacial, Yan et al.8,9 estabeleceram dois tipos de modelos de galope de condutores gelados, a saber, um modelo de feixe curvo finito e um modelo misto, para simular o galope de linhas de transmissão. Consequentemente, foi proposta uma fórmula para a velocidade crítica do vento. Wu et al.10 utilizaram o software comercial CFD FLUENT para simular o fluxo de ar em torno de dois feixes de condutores. Foi proposto um método de simulação numérica para oscilação da esteira, que é validado pelos dados do túnel de vento. Os resultados mostraram que, quando ocorre o galope, a trajetória de um subcondutor está próxima da elipse horizontal. Meynen et al.11 simularam numericamente as características de entrada de energia de um único condutor resolvendo um problema de cilindro de oscilação harmônica simples laminar bidimensional. Clunia et al.12 analisaram a vida em fadiga de uma linha de transmissão por meio de simulações numéricas em escoamento laminar e turbulento. Desai et al.13 propuseram um elemento de cabo com grau de liberdade torcional para simular um condutor congelado. Xiong et al.14 conduziram análise modal em condutores gelados e determinaram seu desempenho galopante usando um modelo tridimensional de feixe curvo. Zhang et al.15 realizaram um teste aeroelástico de quatro condutores agrupados e analisaram os modos de vibração considerando diferentes tipos de isoladores. Com base nessas investigações, o processo galopante das linhas de transmissão pode ser reproduzido numericamente. As interações entre vento e linhas de transmissão foram discutidas. No entanto, devido à complexidade e às deficiências na precisão e eficiência do cálculo, as suas aplicações à engenharia prática eram limitadas.