黄明祥，卞宏志，庄金康，张建勋，翁兰溪，兰 生

(1.福建省电力有限公司建设分公司，福州 350013；2.福州大学电气学院，福州 350013；3.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福州 350013)

中国东部沿海地区为台风多发区域，其中台风登陆次数最多的是广东沿海，其次是中国台湾省、海南省和福建省。每年登陆的台风平均有7个，最多年份达到12个，最少年份也有3个；台风登陆时间多在夏季7～9月，最早月份为5月，最晚12月也有台风登陆。每年台风登陆都对电网造成巨大的破坏，比如倒塔、断线，直接或间接造成巨大的经济损失[1]。

2016年第14号强台风“莫兰蒂”9月10日 14：00 在西太平洋生成，15日03：05在福建省厦门市翔安区沿海登陆。莫兰蒂中心最大风力达到15级(48 m/s)，中心最低气压为94 500 Pa。厦门附近出现超过17级的阵风，最大值出现在厦门五缘大桥站66.1 m/s，厦门本站极大风速达16级(54.9 m/s)。这次台风造成500 kV杆塔倒塔或构件变形，破坏位置集中在厦沧I/II路和漳泉I/II路，其中倒塔5基，地线架倒1基，地线横担弯曲1基[2]。倒塔位置处于厦门集美区灌口镇西北面天柱山脉的迎风坡上，此次台风造成的500 kV线路倒塔位置处于厦门沿海往内陆方向形成遮挡的第一重山地的迎风坡上，此位置为周边山脉中的海拔最高点，往东南方向面朝大海，地形抬升作用明显。

台风造成的经济损失巨大。中外学者和研究机构对台风的抗风设计进行了大量研究，也取得了很多进展。孙富学等[3]研究温州滨海平坦地貌近地台风特性，研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度等，结果表明在离地10 m的高度下，实测得到的风速剖面系数大于国标取值，风速平均值和最大值小于国标取值；郭增伟等[4]通过对青草背长江大桥的风速监控，测得了桥址处的平均风速、风向、湍流强度、阵风因子等，对山区风阵风因子随湍流强度变化关系以及不同计算时距条件下阵风因子的换算关系进行了探讨，最终得出结论：由于局部热力环流的作用，桥址风场的变化特征有着明显的周期性；高风速下顺风向湍流强度及竖向风速相对湍流强度大于桥梁抗风设计国标建议值，而横风向相对脉动强度则比桥梁抗风国标值小。楼文娟等[5]采用计算流体动力学(CFD)数值模拟与风洞试验相结合的方法研究典型单山脉地形和双山脉峡谷型地形的三维平均风场和脉动风场特征，采用时域法研究山地风场特性对输电线路风偏响应的影响，研究结果表明：山顶、峡谷处风速显著增大，且气流爬坡将导致局部位置产生上升气流；由于近地风场加速效应的影响，沿山脊布置的输电线路全档风偏响应增幅较大，跨峡谷输电线路其爬坡段风偏响应增幅较大；上升气流主要使导线竖向风偏位移增大；山地地貌下考虑脉动风速的影响，绝缘子串风偏角风振系数宜取1.2～1.3。肖凯等[6]为解决复杂地形环境中，输电塔线风荷载计算的地形修正系数选取问题，基于CFD方法，提出了一种以无量纲风速比为输出的数值计算方法，对CFD中复杂地形的计算域选取、边界条件定义方式做出改进，使其能够适用于大规模批量计算，结果表明采用该风速比计算方法，能准确考虑地形、地貌对输电塔线工作高度范围内的风加速比及风剖面造成的影响，该方法的实施为复杂地形风速比数据库的建立、输电塔线的防风加固及风致灾损事故分析奠定基础。目前，相关研究主要集中在单一入口风向角方面，而风向角不同时，微地形的作用也不尽相同。为此，通过对台风在实际的地形抬升型微地形下考虑不同风向角进行仿真计算，研究微地形对台风的加速作用，对实际工程抗风设计有很大的意义。

1 微地形概述与获取

1.1 微地形概述

微地形是大地形中的一个局部狭小而又特殊的地形范围。微气象是指在离地面50～100 m的大气层中，在系统性天气形势影响下，由于地形等条件的影响，使得该地点的某些气候因子(如风速、覆冰)特别强，超过一般地段的平均值。山区地形复杂，天气多变，气候多样。例如一个山地，一般因为局部地形(比如地形抬升)而使各气象因子在山地范围内产生综合巨变，使得该地点某些气候因子特别增加，微地形与微气象密切相关，不可分割。

微地形微气象多种多样，但对输电线路的影响而言，影响较大的气象因子是覆冰、大风及雷电。因此，在输电线路所经过地区中，那些有利于线路覆冰及大风生成、发展和加重的局部地段，容易发生雷击的局部地段；其气象特征值超过该地区一般线路段的气象条件设计值，从而可能危及线路安全运行的地点。这样的地点就将是线路设计中的微地形、微气象点。

主要研究的是地形抬升型的微地形。平原或丘陵中拔地而起的突峰或盆地中一侧较低另一侧较高的台地及陡崖，因盆地水汽较多，当湿度较大时冷空气会沿山坡上升，在山顶或者台地上形成云雾，冬天冷空气入侵时便会出现严重的覆冰现象[7]。

1.2 仿真模型获取

在谷歌地图中，确定山岭型微地形的范围，然后抓取高程数据，通过高程数据形成等高线。因为实际地形的等高线是错综复杂的，为了在仿真时，微地形能够拟合到地面，必须对等高线进行必要的处理。接着通过SKETCH-UP软件形成模型，模型高度为100.5 m。所研究的地形抬升型微地形位于厦门(117°42′45.94″E，24°50′58.33 N)。微地形的仿真模型如图1所示。

图1 地形抬升型微地形三维仿真模型Fig.1 3D model of the terrain uplifting micro-topography

2 山岭型微地形的台风风场计算仿真

2.1 控制方程

不同的CFD法都基于流体动力学的基本控制方程—连续方程、动量方程和能量方程，即满足质量守恒，动量守恒、能量守恒。所作研究忽略温度效应，即不考虑能量守恒。

质量守恒方程为

(1)

式(1)中：ρ为密度；t为时间；ui为速度张量；xi为坐标张量。

动量守恒方程在惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为

ρgi+Fi

(2)

式(2)中：uj为速度张量；xj为坐标张量;ρgi为重力体积力；p为静压力；Gi为重力质量力；Fi为其他质量力，包括其他源项；τij为应力张量，定义为

(3)

式(3)中：μ为流体黏性系数。

2.2 湍流模型

为了使控制方程封闭，从而进行求解，在质量守恒跟动量守恒的条件下，必须添加湍流模型。在流体计算软件Fluent中，湍流模型有标准k-ε模型、重整化群k-ε模型和可实现k-ε模型。根据文献[8]选择误差最小的标准k-ε模型。标准k-ε模型的湍动能(k)和耗散率(ε)的方程为

(4)

2.3 粗糙度的选取

因地表起伏不平或地物本身几何形状的影响，风速为零的位置并不在地表，而是在离地表一定高度处，这一高度被定义为地表粗糙度rh，单位为m。粗糙度选取为地面粗糙高度为0.05 m[9]。

2.4 网格划分

模拟时统一流场尺寸设定，流场横向尺寸和纵向尺寸为山体的10倍，其中流场高度为5倍的山体高度。网格划分时，首先进行网格无关性验证。通过逐渐增大网格数，比较求解结果的变化率。当网格数量增大到1 154 724个，再继续增大网格时候，求解结果基本没有变化。为了计算收敛速度更快，所以将网格数量划分为1 154 724个。山体表面网格尺寸为1 m,扩展率为1.1，最大尺寸为20 m。周围四个壁面的网格尺寸为1 m,扩展率为1.2，最大尺寸为50 m。上下壁面的最大尺寸为80 m。网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分结果Fig.2 Meshing results

2.5 风向角

为了模拟台风行进时，由于涡旋带来的风向角的转变，设置不同的风向角进行模拟。以45°为一个步长，从0°开始，计算8个角度的风向角。风向角的定义如图3所示。

图3 风向角定义Fig.3 Definition of the wind direction angle

2.6 边界条件设定

当风向角为0°、90°、180°、270°时，将垂直于风向角的侧边界面设置为速度入口，对应的侧边界面为自由出口，剩下的侧面与顶面采用对称面，地面与山体采用壁面。当风向角为45°、135°、225°、315°时，将风向角入口靠近的两个侧面设置为速度入口，另外两个侧面为自由出口，地面与山体采用壁面，顶面采用对称面。

3 结果分析

设置入口风速为20 m/s，得到120 m高度处不同风向角的风速切面图如图4所示。从图4可以看出，最大平均风速均出现在山顶处。由于不同风向角时，迎风面积和微地形的坡度不同，所以最大平均风速不同。并且顺风向时，风速变化率较大。

图4 不同风向角下120 m高度处风速切面Fig.4 Wind speed cutaway at 120 m height with different wind direction angles

对不同风向角下的最大平均风速和湍动能进行统计，结果如图5、图6所示。由图5、图6可知，当风向角为90°、270°时，平均风速最大，并且湍动能也是最大。入口风速经过地形抬升型微地形的加速作用后，最大风速约为入口风速的 1.53倍。并且由于湍流动也较大，瞬时风速可能就越大，输电铁塔所受的条件就更加恶劣。根据《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)[10]推荐方法中的条文4.0.3山区输电线路的抗风设计风速取值一般采用统计分析和对比观测等方法，通过附近地区的气象台、站的气象资料推算山区的平均风速，并结合实际运行经验确定。当无可靠资料时，应将附近平原地区的风速统计值提高10%。仿真结果明显超过了设计规范中的规定值。山顶处的平均风速随高度变化曲线如图7所示。从图7可以看出，平均风速约出现在高度 120 m 处，即山顶以上20 m处的位置。当海拔继续升高时，平均风速下降。在铁塔抗风设计时，可以根据不同高度的平均风速进行不同的优化设计，在最大风速海拔处要加强抗风设计。

图5 不同风向角的最大平均风速Fig.5 Maximum average wind speed at different wind direction angle

图6 不同风向角的湍动能Fig.6 Turbulent energy at different wind direction angles

图7 不同高度处的平均风速Fig.7 Average wind speed at different heights

4 结论

通过对实际的地形抬升型微地形采用不同风向角进行CFD仿真计算，结果表明最大平均风速远大于《110～750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)中的规范值，目前输电线抗风设计的执行标准存在偏低的问题。当输电塔位在地形抬升型微地形时候，进行抗风设计时应当考虑微地形的作用，对铁塔的不同高度位置处分别进行优化设计。