最不利風(fēng)向作用下吸收塔風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)

宋波++殷炳帥++曹謙

摘要：以某電廠(chǎng)660 MW吸收塔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用ADINA及FLUENT有限元軟件對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值風(fēng)洞分析。研究結(jié)果表明：對(duì)于該吸收塔結(jié)構(gòu)，NE風(fēng)向與180°風(fēng)向?qū)儆谧畈焕L(fēng)向，0°風(fēng)向時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)較安全；隨著風(fēng)速增大，加速度響應(yīng)隨塔高呈增大趨勢(shì)，應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，塔體下部開(kāi)口位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，且風(fēng)速對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的影響較?。欢嗨Y(jié)構(gòu)之間有較強(qiáng)的相互干擾現(xiàn)象，風(fēng)場(chǎng)上游結(jié)構(gòu)的周?chē)L(fēng)場(chǎng)受下游結(jié)構(gòu)影響較小，而下游結(jié)構(gòu)周?chē)L(fēng)場(chǎng)受上游結(jié)構(gòu)的影響較大。

關(guān)鍵詞：吸收塔；最不利風(fēng)向；風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)；多塔結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

各國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)災(zāi)是造成重大生命財(cái)產(chǎn)安全損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，故建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)問(wèn)題研究不可忽略。

結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載響應(yīng)的研究實(shí)質(zhì)上是分析結(jié)構(gòu)的風(fēng)振，是一個(gè)空氣彈性力學(xué)問(wèn)題，實(shí)際工程中主要集中在3個(gè)方面：顫振、抖振和拉索的風(fēng)振[1]。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用一般就是考慮順風(fēng)力、橫風(fēng)力及扭力矩3種，所以結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載響應(yīng)研究也就主要集中在這3個(gè)方面。結(jié)構(gòu)順風(fēng)向響應(yīng)計(jì)算的理論己經(jīng)比較成熟。Davenport[2]在他自己提出的近地風(fēng)紊流模型的基礎(chǔ)上建立了計(jì)算高層建筑順風(fēng)向響應(yīng)的振風(fēng)因子法[3]，為計(jì)算房屋建筑的紊流風(fēng)效應(yīng)（抖振）奠定了基礎(chǔ)。此后的研究工作都是在Davenport提出的方法基礎(chǔ)上考慮一些其他因素建立起來(lái)的，如Simiu[45]考慮了迎風(fēng)面與背風(fēng)面風(fēng)壓相關(guān)以及風(fēng)速譜隨高度變化，Solari[6]也考慮了風(fēng)速譜隨高度的變化。

當(dāng)建筑的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及受力關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)響應(yīng)可以視為相互獨(dú)立而分別計(jì)算[7]。實(shí)際中的結(jié)構(gòu)多是不對(duì)稱(chēng)的，因而結(jié)構(gòu)順風(fēng)向、橫風(fēng)向與扭轉(zhuǎn)風(fēng)振響應(yīng)相互藕合，這個(gè)三維藕合振動(dòng)響應(yīng)研究是風(fēng)工程界尚在研究的一個(gè)課題。由于風(fēng)洞試驗(yàn)的長(zhǎng)周期性及條件的局限性，風(fēng)荷載數(shù)值模擬開(kāi)始作為風(fēng)洞試驗(yàn)的補(bǔ)充手段或單獨(dú)出現(xiàn)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，人們已經(jīng)開(kāi)始利用數(shù)值風(fēng)洞對(duì)各種復(fù)雜建筑進(jìn)行表面風(fēng)荷載計(jì)算。1997年Stelvam[8]基于LES湍流模型，考慮3種不同的來(lái)流條件，利用數(shù)值風(fēng)洞法對(duì)德克薩斯科學(xué)研究建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的風(fēng)壓平均值與試驗(yàn)得到的結(jié)果吻合良好，但峰值風(fēng)壓只有根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成脈動(dòng)來(lái)流的數(shù)值模擬結(jié)果才和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。劉若斐等[9]分析雙塔之間的干擾作用，得出根據(jù)不同風(fēng)向角可分為尾流直接作用、尾流和臨近干擾共同作用、臨近干擾作用3個(gè)區(qū)域。曹輝[10]采用數(shù)值風(fēng)洞與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)尚信國(guó)際大廈進(jìn)行了風(fēng)荷載特性研究，全面分析了典型超高層建筑表面局部體型系數(shù)的分布規(guī)律及其隨風(fēng)向的變化規(guī)律，探討了典型的矩形超高層建筑在不同風(fēng)向下的風(fēng)荷載確定方法。

總體上看，目前各國(guó)對(duì)風(fēng)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究主要集中在高層、超高層建筑物，而關(guān)于薄壁類(lèi)高聳殼體吸收塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究較少。本文中依托的脫硫塔結(jié)構(gòu)塔體下部具有大型開(kāi)口，頂部布置有濕式電除塵裝置，結(jié)構(gòu)、荷載不對(duì)稱(chēng)，對(duì)風(fēng)荷載的敏感度更高。鑒于此，本文采用ADINA及FLUENT有限元軟件對(duì)頂部布置有濕式電除塵裝置的脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值風(fēng)洞分析，進(jìn)行了不同風(fēng)向作用下風(fēng)荷載對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)的影響研究并明確最不利輸入風(fēng)向。同時(shí)為充分研究吸收塔結(jié)構(gòu)與其周邊結(jié)構(gòu)的相互作用，更進(jìn)一步分析實(shí)際環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)情況，利用CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)及周邊結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，為實(shí)際工程中吸收塔類(lèi)結(jié)構(gòu)的安裝布置提供參考。

1 平均風(fēng)作用下最不利風(fēng)向的確定

本文中所研究的脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)為貴州省畢節(jié)地區(qū)某電廠(chǎng)2×660 MW級(jí)新建煙氣脫硫塔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）[11]可知，畢節(jié)地區(qū)50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.3 kPa，由風(fēng)速風(fēng)壓換算公式計(jì)算可知當(dāng)?shù)?0 m高度處10 min內(nèi)平均風(fēng)速為22.4 m·s-1。

吸收塔結(jié)構(gòu)塔身、進(jìn)出口煙道的材料為Q235鋼，密度為7 850 kg·m-3，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×1011 Pa，線(xiàn)性膨脹系數(shù)為12.5×10-6 ℃-1，半徑r=9.7 m。吸收塔結(jié)構(gòu)頂部濕式電除塵裝置外殼部分的直徑為13.3 m，材料為玻璃鋼，彈性模量為3.0×1010 Pa，泊松比為0.3，密度為2 100 kg·m-3，熱膨脹系數(shù)為5.0×10-6 ℃-1。

當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向是結(jié)構(gòu)合理布局的重要參考數(shù)據(jù)，依照當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖確定合理的結(jié)構(gòu)布局是工業(yè)設(shè)計(jì)的主要方法。風(fēng)玫瑰圖一般可反映2個(gè)重要信息：風(fēng)向、風(fēng)頻。吸收塔結(jié)構(gòu)所處貴州省畢節(jié)地區(qū)織金縣的風(fēng)玫瑰圖如圖2所示。按照結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)，吸收塔結(jié)構(gòu)的方向布置如圖3所示。

由圖2可以看出，該地區(qū)東北風(fēng)（NE）的頻率較高，其次是北偏東風(fēng)（NNE）。吸收塔結(jié)構(gòu)的方向布置形式是否合理，需要通過(guò)平均風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行分析，因而本文展開(kāi)了不同風(fēng)向作用下吸收塔結(jié)構(gòu)的數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，探求在實(shí)際風(fēng)向頻率最高輸入角度情況下結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)，以及不同方向角輸入下結(jié)構(gòu)的最不利風(fēng)向輸入，并明確風(fēng)向輸入角度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的規(guī)律，為后續(xù)展開(kāi)的脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究提供參考依據(jù)。

1.1 吸收塔結(jié)構(gòu)數(shù)值風(fēng)洞模型

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001），吸收塔所在畢節(jié)地區(qū)50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.3 kPa，畢節(jié)地區(qū)屬于B類(lèi)地區(qū)，其地面粗糙度系數(shù)取為0.16。風(fēng)壓風(fēng)速關(guān)系式為

ω0=12ρv20

（1）

式中：ω0為風(fēng)壓；ρ為大氣密度；v0為平均風(fēng)速。

根據(jù)式（1）可計(jì)算得到當(dāng)?shù)?0 m高度處10 min內(nèi)的平均風(fēng)速為22.4 m·s-1。同樣參照該規(guī)范可知畢節(jié)地區(qū)10年重現(xiàn)期基本風(fēng)速為18.3 m·s-1，100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速為24.2 m·s-1。

由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)完成后，將在結(jié)構(gòu)外層附加保溫層，結(jié)構(gòu)的外表面趨于光滑。另外由于濕式電除塵裝置、煙道及AFT漿液收集盤(pán)的存在，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的形式為高聳異形結(jié)構(gòu)，在數(shù)值風(fēng)洞分析過(guò)程中對(duì)流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)面的耦合造成一定困難，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化是有必要的。由于煙道開(kāi)口，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)在煙道進(jìn)出氣口處無(wú)法耦合，因此，在這兩處進(jìn)行了封頭處理，采用低強(qiáng)度、輕質(zhì)量的薄板封頭，防止風(fēng)進(jìn)入塔內(nèi)。

風(fēng)場(chǎng)模型采用了不壓縮性流體來(lái)模擬，以此建立了包圍著吸收塔結(jié)構(gòu)的三維流體單元模型，同時(shí)在風(fēng)入口邊界處施加了速度條件，風(fēng)速的大小根據(jù)前文求解得出的風(fēng)速確定，并在風(fēng)場(chǎng)的側(cè)面設(shè)置了固壁（Wall）條件。將風(fēng)場(chǎng)與結(jié)構(gòu)模型的接觸面設(shè)置為流固耦合界面，繼而展開(kāi)后續(xù)相應(yīng)的數(shù)值分析。根據(jù)上述分析，建立的結(jié)構(gòu)模型及數(shù)值風(fēng)洞模型如圖4所示。

1.2 風(fēng)向輸入變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

貴州省畢節(jié)地區(qū)50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速為22.4 m·s-1，以此風(fēng)速分別從NE風(fēng)向（該地實(shí)際頻率最高的風(fēng)向）、0°風(fēng)向、90°風(fēng)向及180°風(fēng)向輸入平均風(fēng)，分析4個(gè)風(fēng)向工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位移以及風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速響應(yīng)，研究不同風(fēng)向輸入對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)為實(shí)際結(jié)構(gòu)的方向布置提供一定的參考依據(jù)，并為后續(xù)的脈動(dòng)風(fēng)研究提供基礎(chǔ)。

NE風(fēng)向是畢節(jié)地區(qū)最高頻率風(fēng)向，要展開(kāi)靜風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的安全性能分析首先需要進(jìn)行NE風(fēng)向的分析。在該風(fēng)向輸入下，風(fēng)場(chǎng)Wall邊界的速度云圖如圖5（a）所示，風(fēng)速矢量圖如圖5（b）所示。沿平行于風(fēng)向的塔體中心做豎向剖面，其速度云圖如圖6（a）所示；沿濕式電除塵器與下部塔體連接部位的水平面做剖面，其風(fēng)速矢量圖如圖6（b）所示。

由圖5和圖6可以看出，NE風(fēng)向時(shí)，結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面風(fēng)速較大，結(jié)構(gòu)的背風(fēng)面?zhèn)蕊L(fēng)速減小，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)處風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速受結(jié)構(gòu)的干擾相對(duì)較小。

為分析不同風(fēng)向作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，分別從0°風(fēng)向、90°風(fēng)向及NE風(fēng)向輸入平均風(fēng)進(jìn)行分析。為方便對(duì)比分析結(jié)構(gòu)，將不同風(fēng)向作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和加速度隨高度變化趨勢(shì)表示出來(lái)，如圖7所示，并將不同風(fēng)向作用下結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)力響應(yīng)匯總，如表1所示。

由圖7可以看出，在不同風(fēng)向輸入下，結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)出現(xiàn)在180°風(fēng)向（與NE風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)較接近，為使模擬結(jié)果可視性更強(qiáng)，用NE風(fēng)向代替180°風(fēng)向），最大應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)在NE風(fēng)向，結(jié)構(gòu)的最小應(yīng)力及位移響應(yīng)均出現(xiàn)在0°風(fēng)向。因此可以判斷，NE風(fēng)向與180°風(fēng)向?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)而言為相對(duì)較不利風(fēng)向，0°風(fēng)向時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)安全，這為吸收塔結(jié)構(gòu)方向布置提供了一定參考。

由表1可以看出：結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為60.08 MPa，出現(xiàn)在進(jìn)氣口煙道下端，該值遠(yuǎn)小于Q235鋼材允許應(yīng)力113 MPa；結(jié)構(gòu)的最大位移為4.6 cm，遠(yuǎn)小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》允許值[12]。2 脈動(dòng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

通常把風(fēng)作用的風(fēng)壓平均值當(dāng)做穩(wěn)定風(fēng)壓或者平均風(fēng)壓，而實(shí)際風(fēng)壓是在平均風(fēng)壓值上下波動(dòng)的。在平均風(fēng)壓作用下，建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)向位移，而在脈動(dòng)風(fēng)壓作用下，建筑物在該側(cè)向位移值附近振動(dòng)。尤其對(duì)高度大、剛度小的高層建筑物，脈動(dòng)風(fēng)壓將引起不可忽視的動(dòng)力效應(yīng)。當(dāng)建筑物高度大于30 m或高寬比大于1.5時(shí)，包括塔架、鋼構(gòu)架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)均需考慮風(fēng)振。本文中吸收塔結(jié)構(gòu)整體高度達(dá)73 m，高徑比大于1.5，必須進(jìn)行風(fēng)振分析。參考柳美玉[13]基于風(fēng)洞試驗(yàn)研究計(jì)算的50年、100年周期設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，進(jìn)行了10年一遇、50年一遇及100年一遇脈動(dòng)風(fēng)分析，同時(shí)基于第1.2節(jié)中結(jié)論，從結(jié)構(gòu)的不利風(fēng)向180°風(fēng)向輸入脈動(dòng)風(fēng)。

2.1 脈動(dòng)風(fēng)速譜模擬

展開(kāi)吸收塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析，具備較強(qiáng)適用性及代表性的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)是基本前提。本文應(yīng)用MATLAB軟件編譯適用于吸收塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)以模擬風(fēng)速，根據(jù)前文所述畢節(jié)地區(qū)10年一遇、50年一遇及100年一遇基本風(fēng)速分別為18.3，22.4，24.2 m·s-1，頻率的取值范圍為0.001～1 Hz，根據(jù)規(guī)范采用Davenport譜模擬當(dāng)?shù)氐拿}動(dòng)風(fēng)速譜，得到的貴州畢節(jié)地區(qū)10 m高度處10年一遇、50年一遇及100年一遇脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程曲線(xiàn)如圖8所示。同時(shí)為驗(yàn)證應(yīng)用AR自回歸法模擬脈動(dòng)風(fēng)速譜的準(zhǔn)確性，本文將模擬譜和目標(biāo)譜（Davenport譜）進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

由圖8可以看出，在3種不同基本風(fēng)速下，脈動(dòng)風(fēng)均圍繞著基本風(fēng)速波動(dòng)，且隨著風(fēng)速增加，波形變化越發(fā)明顯。同時(shí)由圖9可以看出，應(yīng)用AR自回歸法模擬的脈動(dòng)風(fēng)速譜與目標(biāo)譜（Davenport譜）的擬合情況良好，說(shuō)明應(yīng)用AR自回歸法模擬所得的脈動(dòng)風(fēng)速譜具備準(zhǔn)確性，且未發(fā)生脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程失真的現(xiàn)象，與實(shí)際工況比較接近，模擬所得的脈動(dòng)風(fēng)速譜可用于下一步的研究中。

2.2 不同風(fēng)速下吸收塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析

根據(jù)不同種類(lèi)設(shè)備使用年限的相關(guān)規(guī)定，電廠(chǎng)設(shè)備的使用年限以40年為基準(zhǔn)，所以分析在吸收塔服役期間10年一遇罕見(jiàn)風(fēng)速對(duì)結(jié)構(gòu)的影響具有重要的工程意義。參照第2.1節(jié)模擬得到的10年一遇脈動(dòng)風(fēng)速譜，由180°風(fēng)向輸入至結(jié)構(gòu)中，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速云圖如圖10所示。

由圖10可以看出，由于在結(jié)構(gòu)的180°風(fēng)向施加初始風(fēng)速邊界條件，風(fēng)場(chǎng)中空氣流動(dòng)逐漸由施加風(fēng)速一側(cè)向另一側(cè)移動(dòng)，最終風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速變化趨于與施加風(fēng)速變化一致的形式，由于風(fēng)場(chǎng)的總長(zhǎng)度為200 m，該過(guò)程大約需要10～20 s。同時(shí)由于風(fēng)場(chǎng)的前10～20 s風(fēng)速較小，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)也較小，為了更加直觀(guān)明顯地表示出時(shí)程曲線(xiàn)的變化過(guò)程，特將時(shí)程曲線(xiàn)前10 s的曲線(xiàn)段刪除，則吸收塔結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下位移、加速度及應(yīng)力的動(dòng)力響應(yīng)最大位置的時(shí)程曲線(xiàn)如圖11所示。

由圖11可以看出：結(jié)構(gòu)的最大位移為45.99 mm，出現(xiàn)在下部塔體與上部濕式電除塵結(jié)構(gòu)連接的變截面處；結(jié)構(gòu)的最大加速度響應(yīng)為10.6 mm·s-2；結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力響應(yīng)為48.13 MPa。說(shuō)明在10年一遇風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)未超過(guò)74 cm，最大應(yīng)力響應(yīng)均未超過(guò)允許值113 MP，吸收塔結(jié)構(gòu)是安全的。

按照上述10年一遇罕見(jiàn)風(fēng)速對(duì)結(jié)構(gòu)影響的分析過(guò)程，分別用50年一遇及100年一遇風(fēng)速譜進(jìn)行分析（過(guò)程不做贅述）。為了對(duì)比分析不同脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，分別沿結(jié)構(gòu)的高度方向提取了位移、加速度以及應(yīng)力響應(yīng)，如圖12所示。

由圖12（a）可以看出：隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)逐漸增大，但在下部塔體與上部濕除結(jié)構(gòu)連接的變截面處位移出現(xiàn)突增，說(shuō)明在風(fēng)荷載作用下塔體整體將呈現(xiàn)上部位移大于下部位移的趨勢(shì)，但由于吸收塔結(jié)構(gòu)是“頭重腳輕”類(lèi)結(jié)構(gòu)，濕式電除塵裝置的中部有質(zhì)量較大的支撐梁，風(fēng)荷載作用下該部位相對(duì)其下部塔段要更穩(wěn)定，位移響應(yīng)要相對(duì)較小，從而導(dǎo)致了下部塔體與上部濕除結(jié)構(gòu)連接的變截面處位移相對(duì)較大；隨著風(fēng)速增大，塔體頂部位移響應(yīng)的差異較塔底明顯。由圖12（b）可以看出，隨著結(jié)構(gòu)的增高，加速度響應(yīng)逐漸增大。圖12（c）可以看出：塔體底部應(yīng)力相對(duì)較大，隨結(jié)構(gòu)高度增加，應(yīng)力整體呈減小趨勢(shì)，但在煙氣入口部位及濕除結(jié)構(gòu)連接的變截面處應(yīng)力集中；在不同風(fēng)速下結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的差異在塔體底部較為明顯。3 多塔結(jié)構(gòu)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)

由于多塔結(jié)構(gòu)高度大，且相距較近，宜考慮群體效應(yīng)[14]。為了深入研究吸收塔結(jié)構(gòu)與其周邊結(jié)構(gòu)的相互作用，進(jìn)一步分析實(shí)際環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)情況，利用CFD數(shù)值模擬[15]軟件FLUENT對(duì)吸收塔結(jié)構(gòu)及其周邊結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析研究。根據(jù)實(shí)際工程資料，吸收塔分為1#塔體與2#塔體，中間布置煙囪，其平面布置情況如圖13所示。

利用GAMBIT軟件建立了整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖14所示。根據(jù)畢節(jié)地區(qū)風(fēng)速玫瑰圖可知當(dāng)?shù)仡l率較高風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，因此風(fēng)場(chǎng)的長(zhǎng)度方向沿東北西南（NESW）方向，其總長(zhǎng)度為800 m，寬度為600 m，高度為400 m。計(jì)算風(fēng)場(chǎng)入口采用的是速度進(jìn)流邊界條件，并采用完全發(fā)展出流邊界作為出口邊界條件；結(jié)構(gòu)的表面及地面采用的是無(wú)滑移壁面條件；風(fēng)場(chǎng)的頂部及兩側(cè)采用的是對(duì)稱(chēng)邊界條件。同時(shí)根據(jù)前文計(jì)算分析可知，吸收塔所在地50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.3 kPa，則基本風(fēng)速為22.4 m·s-1，該地區(qū)屬于B類(lèi)地區(qū)，其地面粗糙度系數(shù)取為0.16。

本文數(shù)值風(fēng)洞分析模型的水力直徑為480 m，水力直徑是在管內(nèi)流動(dòng)中引入的，其目的是給非圓管流動(dòng)的分析模型取一個(gè)合適的特征長(zhǎng)度，以此來(lái)計(jì)算其雷諾數(shù)。水力直徑為4倍濕橫截面面積與濕圓周長(zhǎng)的比值，即水力直徑D=4A/P，A為濕橫截面面積，P為濕圓周長(zhǎng)。模型的入口邊長(zhǎng)分別為400，600 m，因此A=240 000 m2，P=1 000 m，則所求水力直徑為480 m；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文模型的湍流強(qiáng)度缺省參數(shù)設(shè)置為5。湍流強(qiáng)度表示為湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差與平均速度的比值，其值是衡量湍流強(qiáng)弱的指標(biāo)。本文模型的求解精度為0.001，求解過(guò)程至第62步開(kāi)始收斂。

經(jīng)計(jì)算分析，得到模型的風(fēng)壓云圖如圖15所示，同時(shí)為了顯示不同高度處結(jié)構(gòu)的各類(lèi)響應(yīng)值，定義了的不同高度面，分別為0，14（進(jìn)氣口中部位置），49（濕除結(jié)構(gòu)與下部塔體連接變截面處），100 m（煙囪中部）。對(duì)上述3個(gè)高度處的風(fēng)壓云圖進(jìn)行分析可知：3個(gè)結(jié)構(gòu)在迎風(fēng)面上的最大風(fēng)壓基本相近，最大風(fēng)壓達(dá)426 Pa，而在結(jié)構(gòu)的背風(fēng)側(cè)由于2#吸收塔結(jié)構(gòu)處于迎風(fēng)層的最前端，其背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓值較煙囪及1#吸收塔結(jié)構(gòu)的背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓值更大，最小風(fēng)壓為-838 Pa，出現(xiàn)在煙氣入口煙道下方。同時(shí)，可以看到由于3個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)流向的相互影響，負(fù)壓區(qū)域不是直接分布于結(jié)構(gòu)的背風(fēng)側(cè)，為了進(jìn)一步分析其原因及效果，分別提取了14 m及49 m高度處結(jié)構(gòu)附近的風(fēng)速矢量圖，如圖16所示。

可以看出，在NE風(fēng)向下，3個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)存在相互干擾的現(xiàn)象。氣流在流經(jīng)2#吸收塔之后，由結(jié)構(gòu)兩側(cè)流向背風(fēng)側(cè)，未形成明顯渦流現(xiàn)象，但由圖16可以看出，風(fēng)速在背風(fēng)側(cè)明顯減小，由貝努力定理可知?dú)饬鲗?duì)2#吸收塔的壓力增大；之后該氣流經(jīng)由煙囪結(jié)構(gòu)的一側(cè)流過(guò)，同樣與經(jīng)由煙囪的氣流在其背風(fēng)側(cè)相聚，依次經(jīng)由1#吸收塔結(jié)構(gòu)流過(guò)，形成的流線(xiàn)圖如圖17所示（14 m高度處）。

通過(guò)上述分析可以看出，3個(gè)結(jié)構(gòu)之間存在較強(qiáng)的相互干擾現(xiàn)象，但是上游結(jié)構(gòu)的周?chē)L(fēng)場(chǎng)受下游結(jié)構(gòu)影響不大，在單獨(dú)計(jì)算上游結(jié)構(gòu)時(shí)可以不考慮干擾效應(yīng)。下游結(jié)構(gòu)周?chē)L(fēng)場(chǎng)受上游結(jié)構(gòu)的影響較大，在設(shè)計(jì)分析下游結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮上游結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)比分析不同風(fēng)向作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)得出：本文結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)出現(xiàn)在180°風(fēng)向，最大應(yīng)力響應(yīng)出現(xiàn)在NE風(fēng)向，結(jié)構(gòu)的最小應(yīng)力及位移響應(yīng)均出現(xiàn)在0°風(fēng)向。因此可以判斷，NE風(fēng)向與180°風(fēng)向?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)而言為相對(duì)不利風(fēng)向，0°風(fēng)向時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)安全，此項(xiàng)計(jì)算對(duì)實(shí)際工程中確定不對(duì)稱(chēng)吸收塔結(jié)構(gòu)的安裝方向具有一定借鑒意義。

（2）隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)逐漸增大，在濕除結(jié)構(gòu)與塔體連接處由于材料的不連續(xù)性使得結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生突變，所以實(shí)際工程中要注意變截面、不同材料銜接處的加強(qiáng)。

（3）風(fēng)速的增大引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力、加速度及頂部位移的增大，但是影響較小。相比較而言，在實(shí)際工程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮風(fēng)向的影響。

（4）多塔結(jié)構(gòu)的數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)分析表明，3個(gè)結(jié)構(gòu)之間存在較強(qiáng)的相互干擾現(xiàn)象，但是上游結(jié)構(gòu)的周?chē)L(fēng)場(chǎng)受下游結(jié)構(gòu)影響不大，在單獨(dú)計(jì)算上游結(jié)構(gòu)時(shí)可以不考慮干擾效應(yīng)。下游結(jié)構(gòu)周?chē)L(fēng)場(chǎng)受上游結(jié)構(gòu)的影響較大，在設(shè)計(jì)分析下游結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮上游結(jié)構(gòu)的影響。

（5）對(duì)于吸收塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的研究，本文只考慮了風(fēng)荷載，但是實(shí)際工程中地震荷載的影響不可忽略，還需對(duì)風(fēng)荷載與地震荷載共同作用下吸收塔的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。

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