不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)超大型冷卻塔風(fēng)壓特性影響研究

柯世堂, 朱 鵬

(南京航空航天大學(xué) 土木工程系,南京 210016)

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不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)超大型冷卻塔風(fēng)壓特性影響研究

柯世堂, 朱 鵬

(南京航空航天大學(xué) 土木工程系,南京 210016)

為研究不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)超大型冷卻塔風(fēng)壓分布特性的影響，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比研究了三種有導(dǎo)風(fēng)裝置和無導(dǎo)風(fēng)裝置的大型冷卻塔表面風(fēng)壓分布特性，其中包括平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓、峰值因子以及極值風(fēng)壓等氣動(dòng)參數(shù)，提煉出不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)大型冷卻塔整體和局部風(fēng)壓分布的影響規(guī)律，最后給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔極值風(fēng)壓的擬合公式。結(jié)果表明：三種導(dǎo)風(fēng)裝置均能有效減少塔筒中部負(fù)壓極值區(qū)域的平均風(fēng)壓，同時(shí)也能有效減少塔筒迎風(fēng)面中上部脈動(dòng)風(fēng)壓的根方差，尤其以弧形導(dǎo)風(fēng)板效果最好；不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可有效減小塔筒中下部迎風(fēng)面和負(fù)壓極值區(qū)域的風(fēng)壓極值，尤其以弧形導(dǎo)風(fēng)板效果最好；考慮不同導(dǎo)風(fēng)裝置下大型冷卻塔迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面峰值因子取值分別為3.29、3.41和3.50。

超大型冷卻塔；導(dǎo)風(fēng)裝置；脈動(dòng)風(fēng)壓；峰值因子；極值風(fēng)壓

大型雙曲冷卻塔作為火/核電廠重要構(gòu)筑物，其抗風(fēng)安全性能一直受到研究和設(shè)計(jì)人員的重視。自從1965年英國渡橋電廠三座冷卻塔在中等風(fēng)速下風(fēng)毀事故[1]發(fā)生以來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其表面風(fēng)荷載分布特性[2-4]和群塔干擾效應(yīng)[5-8]進(jìn)行了深入研究，相關(guān)研究?jī)?nèi)容很好地支撐了大型雙曲冷卻塔的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。然而，已有研究成果均沒有考慮冷卻塔進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)裝置[9]的影響，更缺乏不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)冷卻塔局部和整體風(fēng)荷載影響的定性和定量研究，特別是表面極值風(fēng)壓現(xiàn)已成為冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷之一，其設(shè)計(jì)取值直接關(guān)系到冷卻塔的結(jié)構(gòu)安全性能和整體造價(jià)。因此，對(duì)不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔表面平均和極值風(fēng)荷載分布特性的研究具有重要工程意義。

鑒于此，對(duì)內(nèi)陸某核電超大型冷卻塔(高215 m)增設(shè)三種不同導(dǎo)風(fēng)裝置，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比研究了三種不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)表面平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓、峰值因子及極值風(fēng)壓等氣動(dòng)參數(shù)的影響，提煉出不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)大型冷卻塔整體和局部風(fēng)壓分布的影響規(guī)律，并給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔極值風(fēng)壓的擬合公式。相關(guān)結(jié)論可為超大型雙曲冷卻塔考慮導(dǎo)風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值提供科學(xué)依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 模型參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

本文以內(nèi)陸在建的某核電超大型冷卻塔為例，高度為215 m，塔頂外半徑53.2 m，喉部中面半徑49.5 m，進(jìn)風(fēng)口中面半徑78.1 m，通風(fēng)殼體采用分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.3 m，塔底由48對(duì)均勻分布的人字柱支撐。按1∶500縮尺比制作冷卻塔剛體測(cè)壓模型，冷卻塔模型阻塞度小于5%。冷卻塔外表面沿其子午向和環(huán)向布置12×36共432個(gè)表面壓力測(cè)點(diǎn)。圖1給出了冷卻塔模型的測(cè)點(diǎn)布置與來流角度。

圖1 冷卻塔測(cè)點(diǎn)布置與來流角度Fig.1 Layout of cooling tower and angle of flow

1.2 導(dǎo)風(fēng)裝置參數(shù)

圖2為無導(dǎo)風(fēng)裝置和增設(shè)三種導(dǎo)風(fēng)裝置的冷卻塔剛體測(cè)壓模型示意圖，三種導(dǎo)風(fēng)裝置分別為外部進(jìn)水槽、導(dǎo)風(fēng)板和弧形導(dǎo)風(fēng)板，每種導(dǎo)風(fēng)裝置的詳細(xì)尺寸如圖3所示。簡(jiǎn)稱無導(dǎo)風(fēng)裝置為工況一，外部進(jìn)水槽為工況二，導(dǎo)風(fēng)板為工況三，弧形導(dǎo)風(fēng)板為工況四。

圖2 不同導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔剛體測(cè)壓模型示意圖Fig.2 The sketches of cooling towers with different air-deflectors

圖3 不同導(dǎo)風(fēng)裝置模型的詳細(xì)尺寸示意圖Fig.3 Detail sizes of different air-deflectors

1.3 雷諾數(shù)效應(yīng)模擬

冷卻塔剛體測(cè)壓試驗(yàn)所用風(fēng)洞是一座具有串置雙試驗(yàn)段的全鋼結(jié)構(gòu)的閉口回流低速風(fēng)洞[10]，主試驗(yàn)段寬3 m，高2 m，長20 m。風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，最大風(fēng)速可達(dá)45 m/s；測(cè)壓系統(tǒng)采用美國Scanivalve公司的電子掃描閥測(cè)壓系統(tǒng)。三角尖劈和地面粗糙元置于來流前部，用以模擬B類地貌的大氣邊界層。圖4給出了風(fēng)洞試驗(yàn)中B類流場(chǎng)實(shí)測(cè)的平均風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度和脈動(dòng)風(fēng)譜，可見風(fēng)場(chǎng)模擬的平均風(fēng)剖面和規(guī)范比較吻合。同時(shí)將實(shí)測(cè)的脈動(dòng)風(fēng)譜進(jìn)行擬合，并和Davenport譜、Harris譜及Karman譜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該風(fēng)場(chǎng)模擬的脈動(dòng)風(fēng)譜滿足要求。

圖4 B類風(fēng)場(chǎng)模擬參數(shù)結(jié)果示意圖Fig.4 Simulation parameters in terrain B

通過比較了多種改變表面粗糙度方案，最后確定采用在表面貼粗糙紙帶(沿圓周均勻分布間隔寬5 mm、厚0.1 mm，計(jì)36條豎向通長粗糙紙帶)和調(diào)整試驗(yàn)風(fēng)速(10 m/s)手段來模擬高雷諾數(shù)效應(yīng)[11]。由圖5比較可知表面貼粗糙紙帶在10 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下冷卻塔中間斷面平均表面壓力系數(shù)分布與規(guī)范[12]值吻合較好，后續(xù)不同導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔模型均采用該粗糙度。

圖5 單塔試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范表面壓力分布對(duì)比圖Fig.5 Specifications for test results and comparison of surface pressure distribution

2 數(shù)據(jù)分析方法

物體表面的壓力通常用對(duì)應(yīng)于參考點(diǎn)的無量綱壓力系數(shù)表示，該系數(shù)可按下式確定：

(1)

式中,Pi為作用在測(cè)點(diǎn)i處的壓力；P0、P+∞分別為試驗(yàn)時(shí)參考高度處的總壓與靜壓。風(fēng)壓符號(hào)規(guī)定為：表面壓力相對(duì)冷卻塔塔壁向內(nèi)為正，向外為負(fù)。

體型系數(shù)為面上第i測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓與該測(cè)點(diǎn)所屬表面面積Ai的乘積取加權(quán)平均得到，其值為:

(2)

建筑物表面的極值風(fēng)壓系數(shù)可以用風(fēng)壓系數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來表示，即：

Cpext=Cpmean±gCprms

(3)

式中,Cpext，Cpmean和Cprms分別為風(fēng)壓系數(shù)極值、平均和標(biāo)準(zhǔn)差，其值為表面壓力和參考?jí)毫Φ谋戎?，g為峰值因子。等式右端項(xiàng)取加號(hào)或減號(hào)分別為正向或負(fù)向極值風(fēng)壓系數(shù)。

在高斯過程假定下，KE等[13]提出了峰值因子計(jì)算方法，其計(jì)算公式為:

(4)

式中,v為單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)穿越平均值的次數(shù)；T為樣本的時(shí)間長度。

3 結(jié)果分析

3.1 平均風(fēng)壓

圖6 典型層測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of pressure coefficient of typical layer points

圖6給出了塔筒表面四個(gè)典型斷面處的平均風(fēng)壓系數(shù)分布曲線，圖7分別給出了塔筒在0°、70°、120°和180°四個(gè)典型角度的子午向體型系數(shù)分布曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：①不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒迎風(fēng)面壓力系數(shù)影響較小，但對(duì)側(cè)面與背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)有明顯影響；增加導(dǎo)風(fēng)裝置后冷卻塔在0°和70°子午向的塔筒下部區(qū)域體型系數(shù)差別較小，但在120°與180°子午向處均增大了體型系數(shù)，其中對(duì)180°子午向增大效果最為明顯，其增幅達(dá)到了16.3%；②施加導(dǎo)風(fēng)裝置可有效減少塔筒中部區(qū)域70°子午向處的體型系數(shù)，其中工況二可減少約6.6%；③不同導(dǎo)風(fēng)裝置僅對(duì)塔筒上部區(qū)域180°子午向處體型系數(shù)影響較大，對(duì)其他區(qū)域影響較小。分析表明增加導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)70°子午向處表面平均風(fēng)壓改善效果最好，可有效減少負(fù)壓極值區(qū)域體型系數(shù)。

圖7 不同導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔典型角度子午向體型系數(shù)分布曲線Fig.7 The shape coefficients under different meridian angles with different air-deflectors

3.2 脈動(dòng)風(fēng)壓

壓力系數(shù)的根方差是用來衡量脈動(dòng)風(fēng)壓能量大小的重要指標(biāo)，圖8給出了四個(gè)工況下冷卻塔表面脈動(dòng)風(fēng)壓均方根隨環(huán)向角度與子午向高度變化云圖。

圖8 各工況下冷卻塔表面所有測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓根方差分布云圖Fig.8 Four cases of RMS fluctuating wind pressure coefficient

由圖8可知，脈動(dòng)風(fēng)壓的分布規(guī)律與平均風(fēng)壓結(jié)果有較大差別。其中工況一的脈動(dòng)風(fēng)壓根方差沿子午向與環(huán)向分布較為均勻，隨著環(huán)向角度的增大，脈動(dòng)風(fēng)壓先減小再增大，最后再減小并逐漸穩(wěn)定，脈動(dòng)風(fēng)壓在塔筒兩側(cè)80°～100°之間達(dá)到極大值；隨著子午向高度的增大，迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值逐漸增大，但在背風(fēng)面則較為平穩(wěn)。

四個(gè)工況脈動(dòng)風(fēng)壓均方根具有相似的變化規(guī)律，其中背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值較接近；由于側(cè)面為分離區(qū)，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)明顯增大，但是增加導(dǎo)風(fēng)板后可有效減少脈動(dòng)風(fēng)壓；不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)于減少塔筒迎風(fēng)面中上部脈動(dòng)風(fēng)壓根方差均有一定的效果，其中以工況四最為顯著。

3.3 峰值因子

文獻(xiàn)[14]通過對(duì)無導(dǎo)風(fēng)裝置的冷卻塔脈動(dòng)風(fēng)壓研究得出峰值因子的取值一般在3.0～5.0之間，為了研究不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)冷卻塔脈動(dòng)風(fēng)壓峰值因子取值的影響，本文基于高斯過程假定，采用KE等提出的峰值因子法，計(jì)算出各工況下每個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值因子，風(fēng)壓時(shí)距T取值為600 s，并最終給出冷卻塔各工況峰值因子的參考取值。圖9給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔表面所有測(cè)點(diǎn)峰值因子的分布區(qū)間。

圖9 四個(gè)工況下冷卻塔表面所有測(cè)點(diǎn)峰值因子分布圖Fig.9 The peak factors for cooling towers with different air-deflectors

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：不同工況下沿環(huán)向所有測(cè)點(diǎn)峰值因子的變化規(guī)律一致，且迎風(fēng)面與背風(fēng)面峰值因子數(shù)值差距明顯，其中背風(fēng)面峰值因子要明顯大于環(huán)向其它區(qū)域，數(shù)值最大可達(dá)到3.6；迎風(fēng)面下部由于導(dǎo)風(fēng)裝置的干擾作用，使得大部分區(qū)域的峰值因子要大于其它高度的數(shù)值，隨著子午向高度增加，峰值因子呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。而背風(fēng)面由于同時(shí)受到導(dǎo)風(fēng)裝置與漩渦脫落的影響，峰值因子分布比較分散，數(shù)值變化較大；不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可明顯減小塔筒下部背風(fēng)面的峰值因子。

為方便設(shè)計(jì)人員更合理選取峰值因子，表1給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔表面不同區(qū)域峰值因子的平均值列表，同時(shí)圖10也給出冷卻塔環(huán)向分區(qū)和相應(yīng)的峰值因子取值。

表1 四種工況下不同區(qū)域的峰值因子平均值Tab.1 Four conditions in different regions of average peak factor

圖10 冷卻塔環(huán)向分區(qū)峰值因子參考取值Fig.10 Reference value of peak factor in circular partition

3.4 極值風(fēng)壓

現(xiàn)有冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范和研究成果均沒有涉及不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔表面風(fēng)壓極值分布，圖11和圖12給出了四種工況下冷卻塔表面風(fēng)壓系數(shù)極大值與極小值的分布云圖。

圖11 不同工況下冷卻塔表面風(fēng)壓系數(shù)極大值分布云圖Fig.11 Four cases of maximum wind pressure coefficient

圖12 不同工況下冷卻塔表面風(fēng)壓系數(shù)極小值分布云圖Fig.12 Four cases of minimum wind pressure coefficient

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：四種工況下風(fēng)壓系數(shù)最大值均發(fā)生在塔筒迎風(fēng)面0°角位置，增加導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)于塔筒上部風(fēng)壓系數(shù)極大值影響較小，但是對(duì)塔筒中下部影響明顯；不同導(dǎo)風(fēng)裝置均減少了迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)極大值，其中以工況二與工況四的效果最為明顯；不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可有效減少塔筒上部負(fù)壓極值區(qū)域的壓力系數(shù)極小值，以工況三效果較好；在負(fù)壓極值區(qū)域，工況四塔筒下部由于脈動(dòng)風(fēng)壓貢獻(xiàn)的減少，風(fēng)壓系數(shù)極大值明顯減少，而在背風(fēng)面區(qū)域，由于漩渦脫落和尾流的影響，使得背風(fēng)面的負(fù)壓極值分布規(guī)律也變得紊亂。

綜合四個(gè)工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)，并考慮脈動(dòng)風(fēng)壓的影響，基于最小二乘法原理，以富氏級(jí)數(shù)展開式對(duì)體型系數(shù)極值分布曲線進(jìn)行擬合：

(5)

計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)m≥7時(shí)，能夠取得良好的擬合效果，表2給出四中工況m=7時(shí)擬合式中參數(shù)ak和bk的取值，圖13給出了四種工況下擬合公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線。

表2 擬合參數(shù)ak和bk數(shù)值列表Tab.2 Fitting parameter data of ak and bk

圖13 原始數(shù)據(jù)與擬合后數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.13 Comparison between the raw data and the fit data

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)制作三種不同導(dǎo)風(fēng)裝置和無導(dǎo)風(fēng)裝置的超大型冷卻塔剛體模型，基于剛體測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果研究了不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)表面平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓、峰值因子以及極值風(fēng)壓的影響規(guī)律，相關(guān)結(jié)論可為超大型雙曲冷卻塔考慮導(dǎo)風(fēng)裝置的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。具體結(jié)論如下：

(1)不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可有效減少塔筒中部區(qū)域70°子午向處的平均風(fēng)壓，其中工況二效果最顯著，可減少約6.6%，不同導(dǎo)風(fēng)裝置僅對(duì)塔筒上部區(qū)域180°子午向處平均風(fēng)壓影響較大，對(duì)其它區(qū)域影響較小。不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可有效減小背風(fēng)面的脈動(dòng)風(fēng)壓根方差，并且對(duì)于減少塔筒迎風(fēng)面中上部脈動(dòng)風(fēng)壓根方差也有一定的效果，其中以工況四最為顯著。

(2)不同導(dǎo)風(fēng)裝置均可明顯減小塔筒下部背風(fēng)面的峰值因子，背風(fēng)面峰值因子要明顯大于環(huán)向其它區(qū)域，數(shù)值最大可達(dá)到3.6，且隨著子午向高度增加，峰值因子呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。最終給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置下冷卻塔峰值因子取值的環(huán)向分布圖。

(3)四種工況下風(fēng)壓系數(shù)最大值均發(fā)生在塔筒迎風(fēng)面0°角位置，增加導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)于塔筒上部風(fēng)壓系數(shù)極大值影響較小，但是對(duì)塔筒中下部影響明顯。不同導(dǎo)風(fēng)裝置均減少了迎風(fēng)面和負(fù)壓極值區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)極大值，其中以工況二與工況四的效果最為明顯。最終式(5)給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置和無導(dǎo)風(fēng)裝置下超大型冷卻塔表面極值風(fēng)壓的擬合公式。

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Impact of different air-deflector on the wind pressure on super-large cooling towers

KE Shitang, ZHU Peng

(Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In order to study the wind load influence of different air-deflector on a super-large cooling tower, the wind pressure distribution characteristics of four kinds of cooling towers were studied by wind tunnel tests. The concerned characteristics of the wind pressure include the average pressure, the fluctuating wind pressure, the extreme wind pressure and the peak factor. The influences of different air-deflector on the overall and local wind pressure distribution on the large cooling tower were analysed. The fitted formula for the extreme wind pressure on cooling tower installed with different wind deflectors was presented. The results show that the three kinds of air-deflector can effectively reduce the average wind pressure in the extreme area of negative pressure at the middle part of cooling tower and the fourth kind is the best to reduce the RMS of wind pressure at the upper part of the cooling tower. The peak factor values at different sides of the super-large cooling tower are different: it is 3.29 at the wind face side 3.14 at the crosswind side at different sides of the leeward side.

super-large cooling tower; air-deflector; fluctuating wind pressure; peak factor; extreme wind pressure

國家自然科學(xué)基金(51208254);江蘇省優(yōu)秀青年基金(BK20160083);中國博士后基金(2013M530255);江蘇省博士后基金(1202006B)

2015-07-06 修改稿收到日期：2015-11-07

柯世堂 男，博士，副教授，1982年11月生

TU33+2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.021