Studio sperimentale sulle caratteristiche di galoppo del ghiaccio singolo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5172 (2023) Citare questo articolo

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Occasionalmente si osserva il galoppo delle linee di trasmissione ricoperte di ghiaccio sotto direzioni oblique del vento. Tuttavia, la maggior parte delle ricerche attuali sui meccanismi di galoppo riguardano il flusso perpendicolare alla campata delle linee di trasmissione. Per colmare questa lacuna, questa ricerca studia le caratteristiche di galoppo delle linee di trasmissione rivestite di ghiaccio sotto flussi obliqui sulla base di test in galleria del vento. Lo spostamento indotto dal vento di un modello di linea di trasmissione aeroelastica rivestita di ghiaccio è stato misurato con un'apparecchiatura di misurazione dello spostamento senza contatto in una galleria del vento a diverse velocità e direzioni del vento. I risultati mostrano che il galoppo è caratterizzato da traiettorie ellittiche e smorzamento negativo, che è più probabile che si verifichi con flussi obliqui rispetto al flusso diretto (0°). Con una direzione del vento di 15° è stato osservato un galoppo in direzione verticale con velocità del vento superiori a 5 m/s. Con una direzione del vento di 30° è stato osservato un galoppo nell'intero intervallo delle velocità del vento testate. Inoltre, si osserva che le ampiezze del galoppo sotto flussi obliqui sono maggiori di quelle dei flussi diretti. Di conseguenza, quando la direzione del vento tra l'azimut del principale monsone invernale e la direzione laterale del percorso della linea di trasmissione è compresa tra 15° e 30°, nella pratica sono altamente raccomandati dispositivi anti-galoppo adeguati.

Il galoppo di una linea di trasmissione ricoperta di ghiaccio è caratterizzato da una vibrazione autoeccitata a bassa frequenza, di grande ampiezza, sotto l'eccitazione del vento. Il galoppo può causare affaticamento e danni alle linee di trasmissione e ai raccordi del cablaggio. Inoltre, potrebbe addirittura causare il crollo della torre di trasmissione1. Il meccanismo galoppante delle linee di trasmissione ricoperte di ghiaccio è un problema cruciale nella prevenzione e mitigazione dei disastri dei sistemi di linee di trasmissione. Metodi analitici, simulazioni numeriche, misurazioni sul campo e test in galleria del vento sono i principali metodi per studiare il meccanismo del galoppo delle linee di trasmissione rivestite di ghiaccio.

In termini di teorie analitiche del galoppo, Den Hartog2 ha proposto un modello quasi-stazionario semplificato ad un grado di libertà per considerare la vibrazione verticale. Nigel3 ha proposto un meccanismo di galoppo eccitato torsionale estendendo la teoria di Den Hartog. Yu et al.4,5 hanno sviluppato un meccanismo di accoppiamento inerziale. È indicato che, a causa della variazione dell'angolo di attacco causata dall'inerzia eccentrica derivante dalla formazione di ghiaccio, la forza di portanza fornisce un feedback positivo alla vibrazione laterale, formando così un sostanziale fenomeno di galoppo. Utilizzando i metodi analitici sopra menzionati vengono discusse le condizioni che si verificano e i fattori che influenzano il galoppo. Di conseguenza, la comprensione del galoppo è stata migliorata per la pratica. Liu et al.6 hanno aggiunto un carico di eccitazione esterno all'equazione che governa le linee di trasmissione ghiacciate in base alla condizione di vento stabile, stabilendo così un nuovo modello di vibrazione autoeccitata forzata per il galoppo. Liu et al.7 hanno analizzato l'accuratezza delle soluzioni approssimate ottenute con il metodo delle perturbazioni sulle equazioni al galoppo. Sulla base di queste indagini sono stati proposti criteri di progettazione teorici utili a limitare o eliminare il galoppo delle linee di trasmissione. Tuttavia, nell'ingegneria pratica, il galoppo si verifica occasionalmente anche oltre la condizione calcolata sulla base delle teorie classiche, indicando che situazioni realistiche più complesse dovrebbero essere ulteriormente considerate.

Vengono eseguiti massicci tentativi per simulare il processo galoppante delle linee di trasmissione utilizzando metodi numerici. Basandosi sulla teoria spaziale della trave curva, Yan et al.8,9 hanno stabilito due tipi di modelli di galoppo del conduttore ghiacciato, vale a dire un modello di trave curva finita e un modello misto, per simulare il galoppo delle linee di trasmissione. Di conseguenza è stata proposta una formula per la velocità critica del vento. Wu et al.10 hanno utilizzato il software CFD commerciale FLUENT per simulare il flusso d'aria attorno a due conduttori a fascio. È stato proposto un metodo di simulazione numerica per l'oscillazione della scia, convalidato dai dati della galleria del vento. I risultati hanno dimostrato che, quando avviene il galoppo, la traiettoria di un subconduttore è prossima all'ellisse orizzontale. Meynen et al.11 hanno simulato numericamente le caratteristiche di input energetico di un singolo conduttore risolvendo un problema di cilindro laminare bidimensionale con oscillazione armonica semplice. Clunia et al.12 hanno analizzato la vita a fatica di una linea di trasmissione mediante simulazioni numeriche in flusso laminare e turbolento. Desai et al.13 hanno proposto un elemento di cavo con grado di libertà torsionale per simulare un conduttore ghiacciato. Xiong et al.14 hanno condotto un'analisi modale su conduttori ghiacciati e ne hanno determinato le prestazioni al galoppo utilizzando un modello tridimensionale di travi curve. Zhang et al.15 hanno eseguito un test aeroelastico di quattro conduttori raggruppati e hanno analizzato le modalità di vibrazione considerando diversi tipi di isolanti. Sulla base di queste indagini è possibile riprodurre numericamente il processo di galoppo delle linee di trasmissione. Sono state discusse le interazioni tra il vento e le linee di trasmissione. Tuttavia, a causa della complessità e delle carenze nel calcolo dell’accuratezza e dell’efficienza, le loro applicazioni all’ingegneria pratica erano limitate.