各國大型冷卻塔塔筒表面風(fēng)壓實測對比及展望

劉曉鵬 楊宗宇 劉鴻盛 朱庭樞

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095)

各國大型冷卻塔塔筒表面風(fēng)壓實測對比及展望

劉曉鵬 楊宗宇 劉鴻盛 朱庭樞

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095)

介紹了文獻可查各國大型冷卻塔塔筒表面實測平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動風(fēng)壓系數(shù)、塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范進行了對比分析，指出有必要進行全方位的冷卻塔表面風(fēng)荷載實測，以完整再現(xiàn)冷卻塔表面風(fēng)荷載繞流特性。

大型冷卻塔，平均風(fēng)壓系數(shù)，脈動風(fēng)壓系數(shù)，風(fēng)荷載

0 引言

風(fēng)荷載是雙曲線型高聳薄殼冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載之一，確切地給出冷卻塔表面實際風(fēng)荷載具有的重要意義。在強風(fēng)條件下，大型全尺寸冷卻塔雷諾數(shù)達(dá)到107級以上，一般在風(fēng)洞中難以實現(xiàn)，因此有必要開展全尺寸冷卻塔表面動態(tài)風(fēng)壓測量，它是研究冷卻塔實際風(fēng)壓分布的最直接和重要的途徑，也是檢驗?zāi)Ｐ驮囼灧椒ê屠碚摲治龇椒?zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)。故有必要對比分析各國歷次實測結(jié)果，以便對后來的冷卻塔塔筒表面風(fēng)壓實測與風(fēng)洞試驗研究提供幫助。

1 塔筒平均風(fēng)壓系數(shù)

國外現(xiàn)場實測研究如有對Weisweile，Martin’s Greeks,Schemechausen等全尺寸冷卻塔表面風(fēng)壓實測，而我國也在20世紀(jì)80年代～90年代對茂名[1]、石景山[2]冷卻塔表面風(fēng)壓進行了現(xiàn)場實測。圖1列舉了文獻可查各國冷卻塔外表面平均風(fēng)壓實測曲線。

現(xiàn)場實測曲線在迎風(fēng)點(0°)附近幾乎沒有差距，主要區(qū)別是側(cè)風(fēng)區(qū)與尾流區(qū)：茂名實測值負(fù)壓極值約-1.5大于其余實測值；尾流壓力系數(shù)約-0.2，而其余各國實測值均在-0.4～-0.5之間。雖然塔筒表面平均風(fēng)壓系數(shù)各個國家存在一定的差異，但其沿圓周向分布規(guī)律基本得到了公認(rèn)，并結(jié)合風(fēng)洞試驗與實測所得的數(shù)據(jù)進行了擬合，形成了現(xiàn)在的各國相關(guān)規(guī)范見圖2，表1。董銳[5]曾對235 m冷卻塔進行了單塔測壓試驗，試驗顯示通過風(fēng)速大小及改變塔筒表面粗糙度等方式，可以實現(xiàn)在平均風(fēng)壓系數(shù)模擬較好的情況下，存在可選擇的多條脈動風(fēng)壓系數(shù)曲線。雖平均風(fēng)壓模擬比較完整，但如何選擇合適的脈動風(fēng)壓系數(shù)，是當(dāng)今風(fēng)洞試驗存在的難點之一，故仍需大量的實測數(shù)據(jù)進行支持。

表1 各國規(guī)范外表面平均風(fēng)壓分布參數(shù)(無肋塔)

2 塔筒脈動風(fēng)壓系數(shù)

同時文獻可查針對冷卻塔塔筒脈動風(fēng)壓實測有Sageau(1976)，Ruscheweyh(1979)、周良茂[2](1990)及趙林[3](2012)等，且我國近20年來僅趙林教授等[3]對徐州冷卻塔完成了實測工作。圖3對各國塔筒表面脈動風(fēng)壓系數(shù)進行了對比，包括Davenport在1966年脈動風(fēng)壓風(fēng)洞試驗結(jié)果，其中迎風(fēng)點脈動風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值均是按照平均風(fēng)壓系數(shù)為1.0得到的。

根據(jù)圖3可知：

1)周良茂脈動曲線[2]迎風(fēng)點約0.25大于Sageau曲線，但兩者脈動風(fēng)壓系數(shù)整體趨勢基本一致；

2)Ruscheweyh脈動風(fēng)壓曲線峰值點比Sageau(1976)，Ruscheweyh(1979)，周良茂(1990)等靠前10°；

3)趙林等[3]脈動曲線實測值小于國內(nèi)外實測值，其峰值壓力系數(shù)實測不到0.15，而其余實測值均在0.3～0.4之間，差別明顯。

趙林等[3]通過單塔風(fēng)洞測壓試驗，建立了不同來流紊流條件下的統(tǒng)一脈動風(fēng)壓系數(shù)公式：

其中，αk(Pu)為迎風(fēng)點脈動風(fēng)壓系數(shù)相關(guān)的八項式參數(shù)，k=0～7。該公式定性地解釋了各個國家脈動風(fēng)壓實測數(shù)值上的差異，因來流紊流度不同而存在差異。但還缺乏足夠數(shù)量的實測數(shù)據(jù)進行支持，因而需要進一步地針對冷卻塔進行全尺寸的風(fēng)壓測量，補充并驗證統(tǒng)一脈動風(fēng)壓系數(shù)公式的準(zhǔn)確性。

但就基本趨勢而言，脈動風(fēng)壓分布模式亦可劃分迎風(fēng)區(qū)、側(cè)風(fēng)區(qū)及尾流區(qū)：迎風(fēng)區(qū)脈動風(fēng)壓取決于來流風(fēng)紊流強度大小，隨著圓周角度增加而減??；側(cè)風(fēng)區(qū)脈動風(fēng)壓先增大后減小，在80°～100°之間達(dá)到峰值，主要影響因素為側(cè)風(fēng)區(qū)漩渦脫落；尾流區(qū)脈動風(fēng)壓基本上保持穩(wěn)定，其脈動風(fēng)壓系數(shù)為0.15以下。其中脈動風(fēng)壓系數(shù)分別在平均風(fēng)壓的零值壓力點、尾流分離點區(qū)域附近出現(xiàn)拐點，值得一提的是兩個拐點及峰值壓力系數(shù)出現(xiàn)的位置較平均壓力系數(shù)滯后10°左右。

3 內(nèi)表面動態(tài)風(fēng)壓系數(shù)

國外對冷卻塔系統(tǒng)性研究多集中于1970s～1980s年代(歐美大規(guī)模電廠建設(shè)期)，可查相關(guān)資料并不多，而關(guān)于內(nèi)壓的實測資料就更有限。John Armitt[6]提到在West Burton測量塔中安置了測量內(nèi)壓的儀器，但并未給出具體數(shù)值，只是講到內(nèi)壓環(huán)向分布非常的穩(wěn)定，而隨著塔高的增加而略有所變化，并以此作為參考壓力來計算外表面壓力系數(shù)。

Diver and Paterson(1977)曾列舉1950s～1970s歐美主要國家規(guī)范所采用的內(nèi)壓系數(shù)，基本上在-0.4～-0.5之間。例如:德國VGB內(nèi)壓系數(shù)-0.5；若英國規(guī)范定義迎風(fēng)點風(fēng)壓系數(shù)1.0，則相當(dāng)于內(nèi)壓系數(shù)-0.4；我國規(guī)范[4]中并未規(guī)定內(nèi)壓系數(shù)具體數(shù)值，但一般計算時均采用-0.5。

而1983年孫天風(fēng)等[1]對90 m高無肋冷卻塔進行了塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓測量(如圖4所示)顯示：低來流風(fēng)速塔內(nèi)風(fēng)壓沿圓周向分布均勻，而強來流風(fēng)速，滿負(fù)荷及停運時內(nèi)壓力系數(shù)分布并非均勻，且差異較為明顯。迎風(fēng)面(0°～60°)內(nèi)側(cè)負(fù)壓差異變化較大，而尾流區(qū)(110°～180°)內(nèi)側(cè)負(fù)壓差異不明顯。在此期間許多學(xué)者曾通過單塔塔筒內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)進行了風(fēng)洞測壓試驗，試驗顯示塔筒內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)較為穩(wěn)定，如李鵬飛等[7]。但均無法進行冷卻塔在運營情況下內(nèi)壓風(fēng)洞試驗，故未來如有條件可結(jié)合運營或停運情況下原型塔內(nèi)壓實測數(shù)據(jù)，補充并完善冷卻塔內(nèi)壓風(fēng)洞試驗?zāi)M標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，對比分析了歷次冷卻塔內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)實測和試驗結(jié)果，得到以下幾點結(jié)論：1)各國針對塔筒平均風(fēng)壓系數(shù)都進行了詳盡的實測和風(fēng)洞試驗，其圓周向分布規(guī)律基本一致，且形成了各自規(guī)范。2)各國現(xiàn)場實測脈動風(fēng)壓系數(shù)差異較大，側(cè)風(fēng)區(qū)脈動壓力系數(shù)峰值相差2倍以上，仍需進行大量的冷卻塔風(fēng)壓實測與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進行分析，以補充并完善風(fēng)洞試驗準(zhǔn)則及修訂我國規(guī)范關(guān)于冷卻塔的相關(guān)規(guī)定。3)國外內(nèi)壓實測資料均提及內(nèi)壓系數(shù)沿環(huán)向均勻分布，但孫天風(fēng)實測數(shù)據(jù)指出強風(fēng)下迎風(fēng)區(qū)內(nèi)測壓力系數(shù)明顯大于被風(fēng)區(qū)壓力系數(shù)，故塔筒內(nèi)壓分布規(guī)律仍需進行運行、停運條件下的原型實測及風(fēng)洞試驗研究。

[1] 孫天風(fēng)，周良茂.無肋雙曲線型冷卻塔風(fēng)壓分布全尺寸測量和風(fēng)洞研究[J].空氣動力學(xué)報，1983(12)：26-27.

[2] 周良茂，李培華.兩個鄰近全尺寸雙曲型冷卻塔風(fēng)壓分布的測量[J].氣動試驗與測量控制，1992，6(3):37-44.

[3] 趙 林，劉曉鵬，高 玲，等.大型冷卻塔表面脈風(fēng)壓原型實測與分布準(zhǔn)則[J].土木工程學(xué)報，2017，50(1):1-11.

[4] DL/T 5339—2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 董 銳，趙 林，葛耀君.雙曲圓截面冷卻塔塔壁粗糙度對其繞流動態(tài)特性影響[J].空氣動力學(xué)報，2013，31(2)：250-259.

[6] John Armitt.Wind Loading on Cooling Towers[J].Journal of Stuctural Division，1980(8):32.

[7] 李鵬飛，趙 林，葛耀君，等.超大型冷卻塔風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗研究[J].工程力學(xué)，2008,25(6):60-67.

On comparison of wind pressure measurements of tube surface at large cooling towers in different countries and its prospect

Liu Xiaopeng Yang Zongyu Liu Hongsheng Zhu Tingshu

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100095,China)

The paper introduces the average wind pressure coefficient, fluctuating wind pressure coefficient, surface wind pressure coefficient in the tower tube of the tube surface of large cooling towers in different countries which can be found in literature, undertakes the comparative analysis by combining with the existing regulations, and points out the whole-sided measurement of the surface wind loading of the cooling towers, so as to reflect the streaming features of the surface wind loading capacity.

large cooling tower, average wind pressure coefficient, fluctuating wind pressure coefficient, wind loading capacity

1009-6825(2017)05-0064-03

2016-12-04

劉曉鵬(1986- )，男，助理工程師

TU312.1

A