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從虎門大橋的晃動,談光伏的“風致共振”

2020-05-11   

中國電源產業網

導語:2020年5月5 日連接廣東省南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋-“虎門大橋”,在額定風速下全橋開始明顯的上下蛇形搖晃,大橋管理部門迅速啟動應急預案,聯合交警部門采取了雙向交通管制措施?!盎㈤T大橋事件”引起了廣泛的關注,而這種懸索橋的共振模式與我們光伏跟蹤器非常相似,今天小樹洞就和大家一起聊聊跟蹤器的“風致共振”現象。

2020年5月5 日,下午2點左右。連接廣東省南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋-“虎門大橋”,在額定風速下全橋開始明顯的上下蛇形搖晃,大橋管理部門迅速啟動應急預案,聯合交警部門采取了雙向交通管制措施?!盎㈤T大橋事件”引起了廣泛的關注,而這種懸索橋的共振模式與我們光伏跟蹤器非常相似,今天小樹洞就和大家一起聊聊跟蹤器的“風致共振”現象。

1豎彎振動和扭轉振動

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虎門大橋為典型的懸索橋結構

虎門大橋是一種比較典型的懸索橋結構,這種方式的橋梁使用鋼索來承受拉力,可以使用較小的成本來跨越很長的距離。但是懸索橋的缺陷就是剛性比較弱。

而正由于懸索橋的剛性比較差,所以在外力作用下,比如當風繞過橋梁產生渦流時,其誘導力就容易使其發生變形。橋梁一般有兩種比較常見的變形方式。

豎彎變形,主橋梁垂直方向上下晃動

扭轉變形,主橋梁隨著一個軸扭曲變形

虎門大橋豎彎振動模式

塔科馬大橋扭轉振動模式

當然實際情況下豎彎和扭轉經?;旌显谝黄?。與懸索橋類似,跟蹤器本身也是柔性結構,由于主軸本身的剛性較差,也會產生“豎彎”和“扭轉”這兩種變形。

跟蹤器的豎彎振動模式

跟蹤器的扭轉振動模式

而因為跟蹤器的豎彎變形頻率往往比扭轉變形的頻率要高,在實際現場最常見的破壞還是扭轉變形。

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跟蹤器的扭轉模式失效

銷軸轉心的跟蹤器

阻尼比低,極易出現扭轉渦振

渦振和顫振

5月5日的風速并不大,虎門大橋出現了橋面的上下晃動,但是所幸橋梁本身沒有被損壞,預計評估測試完后,不日即可重新開通。這種在低風速下的有限振幅,稱之為“渦振”。

而在各大新聞中,小樹洞發現經常和虎門大橋一同出鏡的,還有另一座懸索橋。1940年7月11日,建成僅僅四個月的“塔科馬海峽大橋”,在微風下轟然倒塌,而這一幕恰好被路過的一個好萊塢攝影團隊所拍下,其倒塌視頻廣為流傳。

塔科馬大橋事故后,很多人參與了倒塌原因的分析,其中著名的航空動力學祖師爺-馮卡門,提出了橋梁破壞是因為“卡門渦街”導致的。由于馮卡門的威望,在很長的一段時間內,大家都錯誤的認為塔科馬大橋的兇手是“渦激共振”,而真正的兇手在很多年后才浮出水面。

2013年,美國工程院院士,現代氣動彈性力學的奠基人,Dowell教授(名字一看就非??煽浚┰谖恼轮兄赋觯?/p>

“一些物理教科書將塔科馬大橋的倒塌歸結為渦激共振,這一觀點是錯誤的,實質上塔科馬大橋是由于顫振倒塌,這和渦振是兩個截然不同的現象”

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文章來源

A Modern Course in Aeroelasticity (Dowell 2013)

渦 振:

是一種由于旋渦的交替脫落,引起的脈動荷載。是限幅振動,常見于低風速情況??ㄩT渦街就是渦振的一種形式。由于渦振往往出現在低風速的情況下,空氣產生的能量比較低,只要在允許變形范圍內的振動,都不會對結構產生大的破壞。

顫 振:

是因為彈性結構在空氣流動中獲得能量,導致的結構振動失穩。是發散振動,常見于高風速情況下。隨著風速的增大,渦流頻率會突然脫離結構頻率,出現空氣負阻尼,結構振動幅度也越變越大,最終導致毀壞。

跟蹤器渦振狀態

跟蹤器進入顫振后被風損毀

跟蹤器的空氣動力學穩定性分析,需要保證在小風速下,渦振穩定在一定的振幅范圍內,大風速下不進入顫振??偨Y起來就是八個字:“小風不壞,大風不倒”

如何設計跟蹤器風致穩定性

幾乎所有的跟蹤器廠家都會對結構強度進行校核,滿足零部件在受到風荷載時,材料保持在彈性變形階段。但是很多結構工程師往往忽視了跟蹤器的“穩定性”計算,而大部分跟蹤器的破壞,并不是由于荷載過大導致的材料屈服,而是由于失穩。

針對跟蹤器的風致穩定性分析,目前行業內唯一,也是最有效的方法就是進行合理合規的風洞測試。計算出結構的自身頻率,測試獲得其阻尼比系數,然后采用動態風洞測試獲得的動態放大系數-DAF,進行嚴格的校核。

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跟蹤器扭轉模態的DAF值(來源:IFI)

另外也可以尋求有限元軟件,進行數值流體動力學仿真,定性的獲得在不同風速,不同角度下的跟蹤器狀態。

使用OpenFOAM

對跟蹤器進行流固耦合分析

還有一些廠家會采用更先進的測試,進行縮比尺的全真模型,進行氣動彈性風洞測試,獲得更詳細的顫振臨界風速,和大風保護策略。

大氣邊界層氣動彈性風洞測試(來源:CPP)

對于這部分可以參考小樹洞之前的文章《跟蹤器風荷載設計準則研討會詳解》,本文下方有傳送門。

如何提高跟蹤器風致穩定性

減少跟蹤器的動態風荷載破壞,主要從三個方面考慮:

  • 增加跟蹤器的剛性,提高自身頻率

  • 增加跟蹤器阻尼比,減少動態風荷載

  • 提高大風保護角度,改變氣動力學外形

頻率是跟蹤器的一個重要特性,跟蹤器主要有三個模態,所對應的就是三個頻率。三種頻率的大小和結構本身的尺寸屬性有很大的關系。由于篇幅所限,以后小樹洞找機會再和大家聊聊如何在設計時,有效地提高這三種頻率。

阻尼比是標準系統在受外力下,恢復到穩定狀態的能力,阻尼比越大,跟蹤器就能越快的回到穩定狀態,所以也就變相的減少了動態風荷載的大小。懸索橋的阻尼比一般是0.3~0.5%,而跟蹤器的阻尼比則比較高,無阻尼器時大約在5~10%左右,增加阻尼器后,阻尼比可以提高2~3倍。

大風保護角度是目前討論的比較多的問題,現在越來越多的測試和現場經驗表明,大風保護在0度時,跟蹤器更容易進入顫振狀態,這種情況和塔科馬橋比較類似,也就是臨界風速比較低。因此目前全球前五家跟蹤器廠家都已經拋棄了0度大風保護的策略(是的,包括S記廠家),轉而采用大角度來抵抗高風速,從而提高顫振的臨界風速。

      5 總 結

      媒體對虎門大橋的關注,提高了全社會對風致共振的認識。小樹洞也希望能有越來越多的朋友,了解在光伏跟蹤器設計里,空氣動力學穩定性設計的重要性。小樹洞并不是專業從事橋梁風工程的工程師,而是基于航空航天知識,來對虎門大橋進行解釋,不當之處還請大家批評指正。



編輯:中國電源產業網

來源:光伏薈

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