某火電廠150m高煙囪平均風(fēng)壓的CFD數(shù)值模擬研究

鄭德乾 沙蔚博

摘 要：采用Realizable k-ε湍流模型對(duì)某火電廠150m高煙囪的平均風(fēng)壓進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，研究了不同風(fēng)向角情況下煙囪表面平均風(fēng)壓的分布規(guī)律，得到了煙囪表面分塊體型系數(shù)沿高度變化規(guī)律，通過(guò)流場(chǎng)顯示對(duì)周邊建筑對(duì)煙囪表面風(fēng)壓分布的影響機(jī)理進(jìn)行了分析，還將煙囪整體體型系數(shù)與荷載規(guī)范值進(jìn)行了對(duì)比。本文結(jié)果可為該類高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：CFD數(shù)值模擬；高聳結(jié)構(gòu)；平均風(fēng)壓；流場(chǎng)分析

引言：隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，社會(huì)用電量的需求逐步增大，雖然近年來(lái)發(fā)展的太陽(yáng)能、風(fēng)能和水利發(fā)電等綠色能源已逐漸推廣使用，但在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，可能仍無(wú)法完全替代火力發(fā)電。煙囪是火電廠中應(yīng)用廣泛的高聳結(jié)構(gòu)，伴隨著火電廠發(fā)電規(guī)模的不斷提升，煙囪的高度也逐漸增高，由此帶來(lái)的抗風(fēng)問(wèn)題也日益顯著，現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012） [1]無(wú)法準(zhǔn)確給出這類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究多采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，但風(fēng)洞試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流模型的發(fā)展，CFD（Computational fluid dy

namics）數(shù)值模擬方法已越來(lái)越多地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中

[2～5]，該方法便于參數(shù)分析，且可進(jìn)行流場(chǎng)可視化機(jī)理分析，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

某火電廠擬建工程規(guī)模為2×150MW燃煤機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)共用一座150m高煙囪。由于煙囪周圍有鍋爐房和主廠房等結(jié)構(gòu)物的影響，某些風(fēng)向角下煙囪周圍的流場(chǎng)將受廠房建筑物干擾而發(fā)生變化，導(dǎo)致煙囪風(fēng)荷載分布的改變。因此，本文采用CFD數(shù)值模擬方法和Realizable k-ε湍流模型，對(duì)該火電廠煙囪的平均風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以對(duì)其抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

一、數(shù)值模擬方法及參數(shù)

本文的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究屬于鈍體繞流問(wèn)題，CFD數(shù)值模擬的控制方程是粘性不可壓Navier-Stokes （簡(jiǎn)稱N-S）方程，為得到結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓，需要對(duì)N-S方程進(jìn)行時(shí)均化處理，相應(yīng)的流體控制方程為

本文壓力速度耦合的求解采用SIMPLEC算法，對(duì)于動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，近壁區(qū)流動(dòng)的修正采用非平衡壁面函數(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)各方程計(jì)算殘差低于為5×10-4，同時(shí)各表面風(fēng)壓系數(shù)基本不隨迭代步數(shù)發(fā)生變化，來(lái)得到流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解。

二、煙囪平均風(fēng)壓CFD數(shù)值模擬

擬建火電廠煙囪及周邊鍋爐房和主廠房等結(jié)構(gòu)物如圖1a所示，圖中煙囪高度為H=150m，圖1還給出了煙囪周邊主要建筑的高度。擬建場(chǎng)地地面粗糙度為B類，10m高度處50年重現(xiàn)期基本風(fēng)速為36.88m/s。

數(shù)值模擬中計(jì)算域取為60H（流向）×30H（展向）×5H（豎向），研究對(duì)象放置于距入流面6H處。采用區(qū)域分塊技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，研究對(duì)象周圍采用尺寸較小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近壁面網(wǎng)格加密，其它區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約180萬(wàn)，如圖1b所示。圖2a所示為本文數(shù)值模擬計(jì)算主要考慮的5個(gè)風(fēng)向角。

三、數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（一）點(diǎn)體型系數(shù)。為了便于同規(guī)范[1]進(jìn)行比較，本文結(jié)果分析中，結(jié)構(gòu)表面壓力場(chǎng)用無(wú)量綱的點(diǎn)體型系數(shù)風(fēng)壓力系數(shù)μsi表示，定義為

式中，Pi是測(cè)點(diǎn)平均壓力，ρ是空氣密度，U（zi）為距地高度為zi的來(lái)流平均風(fēng)速。

（二）分塊體型系數(shù)。為便于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)使用，本節(jié)給出煙囪表面采用面積加權(quán)平均得到的分塊體型系數(shù)值μs，定義為

式中，Ai為測(cè)點(diǎn)i代表的結(jié)構(gòu)表面積。

采用煙囪表面10個(gè)不同距離地面高度處的橫截面（圖2b所示）對(duì)煙囪表面進(jìn)行分塊處理，根據(jù)式（6）可計(jì)算得到煙囪表面距地不同高度處各分區(qū)的分塊體型系數(shù)值，本文考慮風(fēng)向角情況下煙囪表面分塊體型系數(shù)沿高度的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，（1）所有風(fēng)向角下，除了距地147m高度分塊外（該分塊處于煙囪頂部，風(fēng)壓梯度變化較大），煙囪表面分塊體型系數(shù)均隨著距地高度的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；（2）當(dāng)距地高度相同時(shí)， 180°風(fēng)向角下分塊體型系數(shù)值最大，90°風(fēng)向角分塊風(fēng)壓系數(shù)值最小；45°和90°風(fēng)向角下近地面位置分塊體型系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值。

對(duì)煙囪表面整體采用式（6）進(jìn)行面積加權(quán)平均，可計(jì)算得到不同風(fēng)向角情況下煙囪表面整體的體型系數(shù)值，如表1所示。由表1可見(jiàn)，90°風(fēng)向角時(shí)煙囪體型系數(shù)最小，值為0.30；

180°風(fēng)向角時(shí)體型系數(shù)值最大，值為0.58。對(duì)于本文所研究煙囪，規(guī)范[1]建議整體體型系數(shù)值取0.60，稍大于本文數(shù)值模擬值，另外結(jié)合圖4分塊體型系數(shù)結(jié)果（180°風(fēng)向角）可知，當(dāng)距地高度超過(guò)57m時(shí)，煙囪表面分塊體型系數(shù)結(jié)果在0.63～0.75范圍內(nèi)，值均大于0.60。

四、結(jié)語(yǔ)

采用Realizable k-ε湍流模型，對(duì)某火電廠150m高煙囪的平均風(fēng)荷載進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬研究，比較分析了不同風(fēng)向角情況下煙囪表面的平均風(fēng)壓分布規(guī)律，結(jié)合流場(chǎng)顯示技術(shù)分析了風(fēng)壓分布機(jī)理，得到了煙囪表面分塊體型系數(shù)，并將整體體型系數(shù)與規(guī)范值進(jìn)行了比較，本文結(jié)果可為該類高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

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