基于大渦模擬特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值研究

劉東華， 王金璽， 柯世堂

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510663；2.南京航空航天大學(xué) 土木工程系 江蘇 南京 210016)

基于大渦模擬特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值研究

劉東華1， 王金璽1， 柯世堂2

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510663；2.南京航空航天大學(xué) 土木工程系 江蘇 南京 210016)

為研究200 m級特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值問題，以國內(nèi)在建的某特大型冷卻塔(200 m)為例，采用大渦模擬(LES)方法獲得該冷卻塔表面三維氣動(dòng)力時(shí)程，并與國內(nèi)外大型冷卻塔實(shí)測結(jié)果對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性.在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元方法和風(fēng)振時(shí)程分析理論對該冷卻塔的動(dòng)力特性、風(fēng)振響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提煉出此類特大型冷卻塔二維風(fēng)振系數(shù)的分布規(guī)律，最終給出了以正迎風(fēng)面子午向軸力為目標(biāo)的整體風(fēng)振系數(shù)取值.所得出的主要研究結(jié)論可為此類200 m級超規(guī)范特大型冷卻塔的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)取值提供參考.

特大型冷卻塔； 大渦模擬； 風(fēng)致響應(yīng)； 風(fēng)振系數(shù)

0 引言

隨著我國火/核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，一系列超規(guī)范特大型冷卻塔陸續(xù)興建，此類特大型冷卻塔相比常規(guī)高度冷卻塔柔度更大、阻尼更小、自振頻率極低且分布密集，風(fēng)荷載成為其設(shè)計(jì)控制荷載[1-2].風(fēng)振系數(shù)作為冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，選取不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞[3-4].現(xiàn)行規(guī)范普遍缺少此類200 m級特大型冷卻塔表面平均風(fēng)壓分布和風(fēng)振系數(shù)等風(fēng)荷載取值參數(shù)條款，對此類特大型冷卻塔進(jìn)行風(fēng)振系數(shù)取值研究成為此類冷卻塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)中亟待解決的首要問題.

自1965年英國渡橋電廠冷卻塔風(fēng)毀事故[3]以來，大型冷卻塔風(fēng)振特性研究日益引起業(yè)界的高度重視.國內(nèi)冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范[5-6]在定義冷卻塔的風(fēng)振系數(shù)時(shí)較為簡單，僅給出了不同地貌類型下的統(tǒng)一風(fēng)振系數(shù).近年來，國內(nèi)外學(xué)者對雙曲冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)振特性進(jìn)行深入研究，文獻(xiàn)[7]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)測壓結(jié)果分析了結(jié)構(gòu)本身因素和外界干擾對冷卻塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的影響，結(jié)果表明塔高對冷卻塔風(fēng)振系數(shù)的取值均有較為明顯的影響.文獻(xiàn)[8]通過對冷卻塔進(jìn)行氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)振響應(yīng)研究表明,大型冷卻塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)分布呈現(xiàn)明顯的三維特征.文獻(xiàn)[9]基于灰色-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合模型對大型冷卻塔風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明對超規(guī)范大型冷卻塔采用單一的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行計(jì)算可能會(huì)帶來偏于危險(xiǎn)的結(jié)果.上述研究對大型冷卻塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，但是目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)針對200 m級特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值進(jìn)行系統(tǒng)的研究.隨著此類超規(guī)范特大型冷卻塔建設(shè)計(jì)劃的提出，其風(fēng)振系數(shù)的取值成為200 m級特大型冷卻塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)中亟待解決的首要問題.

鑒于此，以國內(nèi)某在建200 m級特大型冷卻塔為工程背景，采用大渦模擬方法對該冷卻塔模型進(jìn)行平均和脈動(dòng)風(fēng)荷載數(shù)值模擬，并通過與規(guī)范及國內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)測結(jié)果對比驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的有效性.然后結(jié)合有限元方法對該特大型冷卻塔的動(dòng)力特性、風(fēng)振響應(yīng)與風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提煉出200 m級特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)的分布規(guī)律，所得結(jié)論對此類200 m級超規(guī)范特大型冷卻塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要工程參考意義.

1 LES數(shù)值模擬

1.1 工程概況

該在建特大型冷卻塔整體塔高200 m，塔筒殼體分段等厚，喉部最小厚度0.35 m，下環(huán)梁最大厚度達(dá)到2.1 m，塔筒下部由44對X型柱與地面固接.該冷卻塔幾何模型按實(shí)際尺寸建立，按正常運(yùn)行下百葉窗透風(fēng)率[10]考慮百葉窗開啟效應(yīng).環(huán)向逆時(shí)針每間隔8.18°布置一個(gè)測點(diǎn)，布置12層測點(diǎn)，共計(jì)12×44=528個(gè)測點(diǎn).該冷卻塔主要特征尺寸及測點(diǎn)布置方式如表1所示.

表1 特大型冷卻塔主要結(jié)構(gòu)尺寸與測點(diǎn)布置

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

為保證尾流得到充分發(fā)展，計(jì)算域尺寸定為24D×15D×4H(順風(fēng)向X×橫風(fēng)向Y×高度方向Z，D為冷卻塔底部直徑，H為塔高)，冷卻塔模型位置距離出口17D，阻塞率為1.26%.將整個(gè)計(jì)算域劃分為外圍區(qū)域和局部加密區(qū)域以兼顧計(jì)算效率和精度，外圍區(qū)域形狀規(guī)整，采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，局部加密區(qū)域內(nèi)含冷卻塔模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分.核心區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為0.2 m，總網(wǎng)格數(shù)量約1 800萬，網(wǎng)格數(shù)目及質(zhì)量均滿足計(jì)算要求.計(jì)算域及網(wǎng)格劃分如圖1所示.

1.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

計(jì)算域入口邊界條件設(shè)為Velocity inlet邊界條件，按照B類地貌設(shè)置大氣邊界層指數(shù)風(fēng)剖面和湍流度剖面，10 m高度處的基本風(fēng)速取為26.83 m/s，通過用戶自定義函數(shù)定義上述入流邊界條件.計(jì)算域出口采用 Pressure-Outlet邊界條件，計(jì)算域頂部和側(cè)面采用Symmetry邊界條件，地面及建筑物表面采用Wall邊界條件，如圖2所示.

圖1 計(jì)算域及模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件示意圖

空氣風(fēng)場選用不可壓縮流場[10]，亞格子模型采用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型，壓力速度耦合方程組求解采用simplec格式.同時(shí)采用simplec方法進(jìn)行離散方程組的求解，壓力項(xiàng)離散采用standard格式，動(dòng)力離散采用bounded central differencing格式，瞬態(tài)方程采用二階隱式，控制方程的計(jì)算殘差設(shè)置為1×10-6，時(shí)間步長定為0.05 s，共計(jì)8 192個(gè)時(shí)間步.圖3給出了冷卻塔喉部迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面及背風(fēng)面3個(gè)典型區(qū)域測點(diǎn)壓力系數(shù)時(shí)程曲線.

圖3 冷卻塔模型喉部典型測點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程曲線

2 數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證

圖4給出了冷卻塔喉部平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)沿環(huán)向分布曲線，并與規(guī)范[4]和實(shí)測及試驗(yàn)結(jié)果[11-12]進(jìn)行對比：平均風(fēng)壓分布曲線的負(fù)壓極值點(diǎn)和分離點(diǎn)對應(yīng)角度與規(guī)范曲線較為一致；脈動(dòng)風(fēng)壓沿環(huán)向分布規(guī)律與國內(nèi)外實(shí)測曲線較為一致.本文得到的脈動(dòng)風(fēng)壓具有一定的有效性，可作為后續(xù)風(fēng)振動(dòng)力分析的輸入載荷.

圖4 大渦模擬與規(guī)范及實(shí)測結(jié)果對比示意圖

3 有限元分析

3.1 有限元建模

采用離散結(jié)構(gòu)的有限單元方法進(jìn)行特大型冷卻塔結(jié)構(gòu)建模，塔筒及頂部剛性環(huán)采用殼Shell63單元建模，下部44對X型柱采用Beam188單元模擬，塔筒共劃分130(層)×176(點(diǎn))個(gè)單元，有限元模型如圖5所示.

圖5 特大型冷卻塔有限元模型示意圖

3.2 動(dòng)力特性分析

圖6給出了該冷卻塔典型階振型圖及對應(yīng)頻率.由圖可知，冷卻塔基頻為0.69 Hz，隨著振型階數(shù)的增大，塔筒環(huán)向和子午向諧波數(shù)顯著增多.

圖6 冷卻塔典型階振型示意圖

3.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程計(jì)算

3.4 響應(yīng)結(jié)果分析

通過風(fēng)振時(shí)域計(jì)算可以得到冷卻塔塔筒和支柱等區(qū)域的位移和內(nèi)力時(shí)程.限于篇幅，文中僅給出塔筒喉部0° Von Mises應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)徑向位移、子午向軸力和環(huán)向彎矩的響應(yīng)結(jié)果，如圖7所示.由圖可知不同響應(yīng)表現(xiàn)的時(shí)間歷程趨勢和脈動(dòng)特性并不完全相同，由不同響應(yīng)目標(biāo)計(jì)算得到的風(fēng)振系數(shù)數(shù)值和分布規(guī)律并不一致.國內(nèi)冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范和德國VGB規(guī)范給出的冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值均采用的是正迎風(fēng)面子午向軸力風(fēng)振系數(shù)[5]，因此本文后續(xù)風(fēng)振系數(shù)的取值探討均基于節(jié)點(diǎn)子午向軸力響應(yīng)目標(biāo)進(jìn)行.

圖7 塔筒迎風(fēng)面喉部響應(yīng)時(shí)程曲線

圖8給出了冷卻塔節(jié)點(diǎn)子午向軸力響應(yīng)典型層均值與均方差沿環(huán)向分布曲線.由圖可知子午向軸力均值和均方差隨高度增加波動(dòng)明顯減小.對此類特大型冷卻塔風(fēng)振系數(shù)取值研究需考慮子午向的變化.

圖8 典型高度斷面子午向軸力均值及均方差分布曲線

3.5 風(fēng)振系數(shù)取值探討

圖9 冷卻塔風(fēng)振系數(shù)三維分布圖

圖9給出了冷卻塔塔筒風(fēng)振系數(shù)的三維分布圖，子午向軸力風(fēng)振系數(shù)在塔筒背風(fēng)區(qū)數(shù)值普遍較大，這是由于該區(qū)域響應(yīng)均值較小導(dǎo)致的風(fēng)振系數(shù)取值過大.這是由風(fēng)振系數(shù)的物理定義缺陷造成的失真現(xiàn)象，因此這一區(qū)域的風(fēng)振系數(shù)對冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不起控制作用.

現(xiàn)行冷卻塔規(guī)范均是以正迎風(fēng)面子午向軸力為目標(biāo)響應(yīng)給出整塔單一風(fēng)振系數(shù)取值.鑒于此，圖10給出了塔筒正迎風(fēng)面子午向軸力特征值及風(fēng)振系數(shù)沿子午向變化曲線.由圖可知：1) 正迎風(fēng)面子午向軸力均值與均方差沿子午向分布趨勢一致，均隨著高度增加逐漸減小，在塔筒頂部區(qū)域,剛性環(huán)的約束使子午向軸力出現(xiàn)負(fù)值；2) 風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)隨著高度增加而減小的分布趨勢，受冷卻塔“端部效應(yīng)”影響，在180 m左右范圍內(nèi)均值較小且風(fēng)振系數(shù)數(shù)值較大；3) 塔筒整體風(fēng)振系數(shù)小于規(guī)范數(shù)值1.9.

圖10 塔筒正迎風(fēng)面子午向軸力特征值及風(fēng)振系數(shù)沿高度變化曲線

4 結(jié)語

本文基于大渦模擬方法、有限元方法和風(fēng)振時(shí)程分析理論對200 m級特大型冷卻塔表面風(fēng)荷載分布、動(dòng)力特性、風(fēng)振響應(yīng)特性、風(fēng)振系數(shù)取值等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.通過與國內(nèi)外實(shí)測結(jié)果對比，驗(yàn)證了本文大渦模擬方法的有效性，可作為后續(xù)風(fēng)振動(dòng)力計(jì)算的輸入載荷.此類特大型冷卻塔基頻較低且頻率分布密集，前50階頻率均在2.0 Hz以下.冷卻塔不同響應(yīng)表現(xiàn)出的時(shí)間歷程趨勢和脈動(dòng)特性并不完全相同，本文選擇與規(guī)范同一標(biāo)準(zhǔn)的正迎風(fēng)面子午向軸力作為風(fēng)振系數(shù)的等效目標(biāo).塔筒節(jié)點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)明顯的三維分布特征，在塔筒底部及背風(fēng)區(qū)節(jié)點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)存在明顯的失真現(xiàn)象，層風(fēng)振系數(shù)呈現(xiàn)隨著高度增加而減小的分布趨勢，塔筒整體風(fēng)振系數(shù)小于規(guī)范取值1.9.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

Research on Wind Vibration Coefficients of Super Large Cooling Towers Based on Larger Eddy Simulation

LIU Donghua1, WANG Jinxi1, KE Shitang2

(1.GuangdongElectricPowerDesignInstituteco.Ltd.,ChinaEnergyEngineeringGroup,Guangzhou510663,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

With a under-constructed domestic 200 m large cooling tower as an example, the wind vibration coefficient of super large cooling towers was systematically studied. Numerical wind tunnel test was conducted by adopting the large eddy simulation(LES) method to obtain the three-dimensional aerodynamic force time history. The outcomes of simulation were compared with that from field measurements and wind tunnels. The results showed the rationality of LES method.In this way, the dynamic property, wind-induced response and wind vibration coefficient were analyzed systematically. The regularities of distribution of two-dimensional wind vibration coefficient of 200 m super large cooling tower was extracted. Finally, the wind vibration coefficient of this super large cooling tower was suggested. These findings could provide scientific basis for the wind resistance design of such 200 m super large cooling towers.

super large cooling tower; large eddy simulation; wind induced response; wind vibration coefficient

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208254)．

劉東華(1981—)，男，遼寧葫蘆島人，高級工程師，主要從事電力行業(yè)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究，E-mail:liudonghua@gedi.com.cn．

TU279.7+41

A

1671-6841(2017)01-0114-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016347