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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Study of the influence of ice accretion on the aerodynamic coefficients of lattice tower elements

Banitalebi Dehkordi Hamid. (2014). Study of the influence of ice accretion on the aerodynamic coefficients of lattice tower elements. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

In cold regions, overhead line cables and their supporting structures are usually fully exposed to atmospheric icing. In addition, rising temperatures due to climate changes are expected to increase the risks associated with extreme weather events which in turn could possibly increase the frequency and severity of storms such as winter blizzards and ice storms. Atmospheric icing is one of the major problems in cold climate regions, which can cause serious damage to transmission line structures, such as overhead transmission networks. Towers or pylons, usually steel lattice structures, represent an important part of the cost of transmission lines. Ice deposits on exposed structures can be the source of several mechanical problems. On transmission line towers in particular, the loads due to heavy ice accretion, coupled with wind-on-ice loads, may lead to aerodynamic effects and cause structural damages, or failure and even cascading collapse of towers. The present investigation is mainly focused on the study of aerodynamic characteristics of angle member icing. The objective is to understand the influence of ice accretion on drag, lift and moment in respect to different ice profiles. In most of the previous experimental studies of ice effects on aerodynamic characteristics, aerodynamic bodies such as airfoils and wings were modeled, whereas in this research, the ice effects on bluff bodies is studied. Experimental models that explicitly consider different glaze ice profiles by including the thermo-physical properties of ice during accretion are proposed. Drag, lift and moment coefficient of those angle member reproduced using cement molded glaze ice profiles are thus measured in a wind tunnel. The models serve as a basis to study various criteria of atmospheric glaze ice effects in terms of aerodynamic coefficient and, aerodynamic forces. Various tower section geometries with glaze ice profiles can also be readily investigated using these models. Several aerodynamic scenarios of an angle member are simulated in order to investigate how variables including ice thickness, liquid water content (LWC), droplet size distribution (DSD) and Reynolds number affect the drag, lift and moment coefficients of an iced angle member subjected to air velocity. Ice morphology of an angle member for different aerodynamic angles and different model orientations are also explored in order to study the flow characteristics effects on ice accretion.

Dans les régions froides, les câbles des lignes de transport et leurs structures sont généralement exposés au givrage atmosphérique. En outre, l'élévation des températures en raison des changements climatiques devraient accroître les risques associés aux phénomènes météorologiques extrêmes, qui à leur tour pourraient éventuellement augmenter la fréquence et la gravité des tempêtes telles que les tempêtes de neige hivernales et les tempêtes de verglas. Dans les régions au climat froid, le givrage atmosphérique est un des problèmes majeurs qui peut causer de graves dommages aux structures des lignes aériennes de transport de l’énergie électrique. Les pylônes, dont les structures sont normalement composées de treillis métalliques, représentent une part importante du coût des lignes de transport. Les dépôts de glace sur les structures exposées peuvent être la source de plusieurs problèmes mécaniques. Plus spécifiquement sur les pylônes des lignes électriques, les charges occasionnées par une épaisse couche de glace, couplées avec celles créées par le vent, peuvent entraîner des charges aérodynamiques excessives et causer des dommages structuraux, des bris ou même un effondrement en cascade des pylônes. Cette recherche a principalement porté sur l'étude des caractéristiques aérodynamiques des cornières sous l'effet du givrage. L'objectif était de comprendre l'influence de différents profils de glace sur la traînée, la portance et le moment aérodynamique. Dans la plupart des études expérimentales précédentes sur les effets de la glace sur les caractéristiques aérodynamiques, des corps profilés tels des ailes d’avion ont été modélisés alors que dans cette recherche, ce sont les effets de la glace sur des corps non profilés qui ont été étudiés. Des modèles expérimentaux tenant explicitement compte de différents profils de glace, tout en incluant les propriétés thermo-physiques de la glace durant l'accrétion, ont été proposés. Les coefficients de traînée, de portance et le moment des profils de glace reproduits à l’aide de ciment moulé sur une cornière ont été mesurés en soufflerie. Les modèles développés peuvent servir de base pour l’étude des effets de la glace atmosphérique, tels les coefficients aérodynamiques et les forces aérodynamiques. Différentes géométries de section de pylônes avec des profils de glace peuvent également être plus facilement étudiées à l'aide de ces modèles. Plusieurs scénarios aérodynamiques sont simulés afin d'étudier comment des variables, tels que l’épaisseur de la glace, la teneur en eau liquide, la taille des gouttelettes et le nombre de Reynolds, affectent les coefficients de traînée, la portance et le moment d'une cornière givrée soumise à un écoulement d'air. La morphologie de la glace accumulée sur une cornière, pour différents angles d’attaque aérodynamiques et différentes orientations de la cornière, est également explorée afin d'étudier l’effet des paramètres du vent sur une accrétion de glace.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Mai 2014
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:247
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Farzaneh, Masoud
Van Dyke, Pierre
Mots-clés:accrétion de glace, coefficient aérodynamique, DSD & MVD, givre, verglas, drag coefficient, glaze ice, Hydro Tower, latticed member, aerodynamic
Déposé le:18 mars 2016 13:58
Dernière modification:05 avr. 2016 00:15
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