風(fēng)雨共同作用超大型冷卻塔氣動(dòng)力和受力性能

柯世堂， 余文林

(南京航空航天大學(xué)土木工程系 南京，210016)

引 言

大型冷卻塔是以承受風(fēng)荷載為主的高聳空間薄殼結(jié)構(gòu)[1-2]，暴風(fēng)雨天氣下，雨滴下落時(shí)同時(shí)受到重力和水平風(fēng)力作用，此時(shí)雨滴以非常大的速度斜向擊打在冷卻塔表面，產(chǎn)生了不同方向與大小的雨荷載，風(fēng)雨荷載共同作用對(duì)冷卻塔安全及穩(wěn)定性能產(chǎn)生顯著影響[3]。

對(duì)于風(fēng)雨共同作用的研究，文獻(xiàn)[4-5]對(duì)雨滴尺寸的分布及建筑物表面風(fēng)驅(qū)雨量和風(fēng)雨荷載進(jìn)行了分析，對(duì)各種模擬風(fēng)驅(qū)雨方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了敘述。文獻(xiàn)[6-8]基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，分析了不同風(fēng)向角、風(fēng)速和降雨量對(duì)于低矮房屋風(fēng)雨荷載效應(yīng)的影響，研究表明強(qiáng)降雨在迎風(fēng)面上產(chǎn)生的附加荷載最大可達(dá)風(fēng)荷載的25%～30%。文獻(xiàn)[9-10]在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)雨共同作用下的響應(yīng)及穩(wěn)定性展開研究，結(jié)果表明強(qiáng)降雨對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力影響微弱，但對(duì)于局部變形及穩(wěn)定性有一定影響。文獻(xiàn)[11-12]基于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行了斜拉索風(fēng)雨激振響應(yīng)特性及機(jī)理分析的研究，得到了拉索的風(fēng)壓系數(shù)以及氣動(dòng)力系數(shù)，總結(jié)出拉索風(fēng)雨振主要表現(xiàn)為主振模態(tài)和多階模態(tài)參與的振動(dòng)?，F(xiàn)有成果給結(jié)構(gòu)抗風(fēng)雨設(shè)計(jì)提供了思路和方法，但鮮有涉及風(fēng)雨共同作用下大型冷卻塔結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力和受力性能研究。

筆者以西北地區(qū)某在建超大型冷卻塔(高為220 m)為工程背景，首先，基于CFD方法對(duì)冷卻塔周圍風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性；然后，添加離散相模型進(jìn)行強(qiáng)降雨的模擬，并分析風(fēng)雨共同作用下冷卻塔表面流體繞流特性、風(fēng)雨荷載特征值及平均壓力系數(shù)的變化。在此基礎(chǔ)上，采用有限元方法對(duì)比分析了風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下超大型冷卻塔風(fēng)致穩(wěn)定性及受力性能；最后，總結(jié)歸納出雨荷載對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力和受力性能的影響規(guī)律。

1 工程概況

該在建超大型鋼筋混凝土雙曲線自然通風(fēng)間接空冷塔，塔高為220 m，喉部標(biāo)高為165 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高為30.5 m，塔頂中面直徑為128.1 m，喉部中面直徑為123 m，底部直徑為185 m。冷卻塔風(fēng)筒殼體采用指數(shù)變厚，最小厚度位于喉部斷面，壁厚為0.38 m，最大壁厚在下環(huán)梁位置，壁厚為1.85 m。塔筒由64對(duì)X型支柱支撐且與環(huán)板基礎(chǔ)連接，X型柱采用矩形截面，尺寸為1.7 m×1.0 m。環(huán)板基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬為10.5 m，高為2.2 m。

考慮到冷卻塔百葉窗的常規(guī)工作狀態(tài)，按30%透風(fēng)率考慮百葉窗開啟效應(yīng)。不同透風(fēng)率的百葉窗開啟狀態(tài)對(duì)冷卻塔周圍流場(chǎng)的影響詳見文獻(xiàn)[13]。表1為該工程冷卻塔的主要結(jié)構(gòu)尺寸及示意圖。

表1 超大型冷卻塔主要結(jié)構(gòu)尺寸及示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 風(fēng)場(chǎng)模擬

為同時(shí)保證冷卻塔處于降雨區(qū)和尾流充分發(fā)展，計(jì)算域尺寸設(shè)置為順風(fēng)向30D×橫風(fēng)向10D×豎向3H，其中：D為冷卻塔零米直徑；H為塔高，計(jì)算模型中心距離計(jì)算域入口為3 500 m，模型最大堵塞度不超過3%。為了兼顧計(jì)算效率和精度，將整個(gè)計(jì)算域劃分為外圍區(qū)域和局部加密區(qū)域。形狀規(guī)整的外圍區(qū)域采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，內(nèi)含冷卻塔模型的局部加密區(qū)域采用非結(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，整體模型總網(wǎng)格數(shù)量超過1 500萬(wàn)且網(wǎng)格最小正交質(zhì)量大于0.40(要求大于0.1以上，杜絕出現(xiàn)負(fù)體積[14])，網(wǎng)格數(shù)目及質(zhì)量均滿足計(jì)算要求。

圖1為計(jì)算域網(wǎng)格劃分和邊界條件示意圖，定義計(jì)算域左側(cè)和頂部邊界條件為速度入口，右側(cè)為壓力出口。如圖2所示，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，將模擬的脈動(dòng)風(fēng)譜進(jìn)行擬合，并與Davenport譜、Harris譜及Karman譜進(jìn)行比較，可認(rèn)為該風(fēng)場(chǎng)模擬的脈動(dòng)風(fēng)譜滿足工程要求。其中，地面粗糙度指數(shù)為0.15，50年重現(xiàn)期10m參考高度處的基本風(fēng)速為28.3 m/s，并通過用戶自定義函數(shù)(user defined function，簡(jiǎn)稱UDF)定義上述脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。側(cè)面采用等效于自由滑移壁面的對(duì)稱邊界條件， 地面以及冷卻塔表面采用

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖Fig.1 Sketch maps of mesh generation and boundary conditions of computational field

圖2 B類風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果示意圖Fig.2 Result diagrams of wind field simulation for class B

無滑移壁面。選用k-ω/SST湍流模型進(jìn)行模擬時(shí)啟用了(增強(qiáng))壁面函數(shù)模型，其中壁面y+值為39.6，可保證底層網(wǎng)格對(duì)數(shù)分布律成立，符合常見計(jì)算和工程要求。

數(shù)值計(jì)算采用3D單精度、分離式求解器，空氣風(fēng)場(chǎng)選用不可壓縮流場(chǎng)，壓力速度耦合方程組求解采用SIMPLEC格式，對(duì)流項(xiàng)求解格式為二階，計(jì)算過程中設(shè)置了網(wǎng)格傾斜校正以提高混合網(wǎng)格計(jì)算效果，控制方程的計(jì)算殘差設(shè)置為1×10-6。

為了驗(yàn)證風(fēng)場(chǎng)模擬的有效性，圖3為冷卻塔喉部斷面平均風(fēng)壓系數(shù)與規(guī)范[15-16]及實(shí)測(cè)曲線[17]對(duì)比示意圖。分析可知，冷卻塔喉部斷面平均風(fēng)壓分布曲線的負(fù)壓極值點(diǎn)和分離點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度與規(guī)范和西熱曲線一致，迎風(fēng)和背風(fēng)區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值吻合較好，側(cè)風(fēng)區(qū)負(fù)壓略大于規(guī)范值，與西熱曲線基本吻合。

圖3 冷卻塔喉部斷面風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范及實(shí)測(cè)曲線對(duì)比示意圖Fig.3 Contrast diagrams among numerical simulation, code and actual measurement result

2.2 風(fēng)雨場(chǎng)模擬

作為降雨重要特征的降雨強(qiáng)度是指單位時(shí)段內(nèi)的降雨量，按每小時(shí)降雨量作為降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示[18-19]?？紤]內(nèi)陸地區(qū)常見的暴雨情形，取降雨強(qiáng)度為50 mm/h。

表2 降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分

直徑較小的雨滴可以看作是球體，當(dāng)雨滴直徑大到一定程度時(shí)，空氣阻力超過了使雨滴保持整體的分子凝聚力，大雨滴便分裂成了小雨滴，因而天然降雨的雨滴直徑一般保持在0.1～6.0 mm范圍內(nèi)。依據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果[19]，采用1.0～6.0 mm范圍內(nèi)的10種直徑的雨滴來模擬連續(xù)雨滴分布的降雨，且雨滴分布一般服從馬歇爾-帕爾默譜分布(Marshall-Palmer，簡(jiǎn)稱M-P譜)

n(d)=N0exp(-Δd)

(1)

其中：n(d)是直徑為d的雨滴數(shù)量；N0=8×103/(m3·mm)；Δ=4.1I-0.21；I為降雨強(qiáng)度(mm/h)。

雨滴與結(jié)構(gòu)的碰撞是一個(gè)動(dòng)量守恒的過程，其速度在與結(jié)構(gòu)碰撞的極短時(shí)間內(nèi)變?yōu)榱?。筆者主要研究雨滴對(duì)冷卻塔的水平作用，假定雨滴在碰撞前的水平末速度為Vx，質(zhì)量為m，碰撞時(shí)間為τ=d/2Vx，且碰撞過程中不發(fā)生蒸發(fā)、飛濺和破裂，根據(jù)動(dòng)量定理可求得雨滴對(duì)冷卻塔的水平撞擊力為

(2)

進(jìn)行風(fēng)雨場(chǎng)模擬時(shí)，首先，計(jì)算風(fēng)場(chǎng)達(dá)到收斂并分析得到風(fēng)壓結(jié)果；其次，在流場(chǎng)上方噴射雨滴確定風(fēng)驅(qū)雨的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄撞擊冷卻塔壁面時(shí)的基本信息；最后，根據(jù)式(2)計(jì)算雨荷載。基于50 mm/h的雨強(qiáng)及相應(yīng)計(jì)算公式確定空氣中浮動(dòng)的雨滴數(shù)量、雨層間隔和豎向末速度，最終確定每層雨間隔時(shí)間步長(zhǎng)[7]為0.01 s。

圖4為風(fēng)雨共同作用下雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。為清晰反映雨滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，已對(duì)雨滴密集程度進(jìn)行了稀釋化處理，僅展示出實(shí)際雨滴數(shù)量的1%?？梢?，雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡受風(fēng)荷載影響顯著，均以一定斜向速度擊打在冷卻塔壁面，冷卻塔兩側(cè)出現(xiàn)局部速度增益區(qū)，且冷卻塔近壁面雨滴運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，大量雨滴隨風(fēng)向冷卻塔兩側(cè)分離，而背風(fēng)區(qū)的雨滴因受尾流回旋的影響呈現(xiàn)出不同尺度的回流，同時(shí)伴隨著少量雨滴擊打在冷卻塔背風(fēng)面，此時(shí)雨滴速度出現(xiàn)負(fù)值，最大可達(dá)20 m/s左右。

圖4 雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡及x方向速度(單位：m/s)Fig.4 Motion track and x-velocity of raindrops (unit: m/s)

圖5為冷卻塔表面雨滴及雨荷載三維分布示意圖。分析發(fā)現(xiàn)：a. 強(qiáng)降雨天氣下雨滴主要分布在冷卻塔迎風(fēng)面附近，在背風(fēng)面以及側(cè)面數(shù)量顯著減少；b. 由于展寬平臺(tái)平行于地面，有大量雨滴擊打在迎風(fēng)向展寬平臺(tái)表面；c. 迎風(fēng)面和背風(fēng)面區(qū)域單滴雨荷載較小，側(cè)面單滴雨荷載較大且在塔底附近更為顯著，最大可達(dá)到70 N左右。

根據(jù)式(2)計(jì)算平均水平雨荷載，并將冷卻塔受到的雨荷載和風(fēng)荷載作為對(duì)比，如表3所示。可見，冷卻塔受順風(fēng)向雨荷載為2 169 kN，逆風(fēng)向雨荷載為1.9 kN，約占順風(fēng)向雨荷載的0.1%；冷卻塔表面總雨荷載為2 167 kN，占總風(fēng)荷載的6.71%，影響不可小視。

圖5 冷卻塔表面雨滴及雨荷載三維分布示意圖Fig.5 Three-dimensional distribution of raindrop and rain load on the surface of cooling tower

kN

荷載類型雨荷載雨荷載總雨荷載總風(fēng)荷載數(shù)值2 1691.92 16732 310

為方便比較風(fēng)雨荷載的數(shù)值特性以及探究雨荷載對(duì)冷卻塔平均壓力系數(shù)的影響，給出雨壓系數(shù)定義，將測(cè)點(diǎn)雨荷載轉(zhuǎn)化成雨壓，求出測(cè)點(diǎn)雨壓與參考高度處風(fēng)壓的比值即為雨壓系數(shù)，為方便計(jì)算，參考高度取為塔頂高度。圖6為冷卻塔喉部斷面風(fēng)壓系數(shù)與雨壓系數(shù)曲線對(duì)比示意圖。分析發(fā)現(xiàn)：a.風(fēng)、雨壓系數(shù)沿環(huán)向基本對(duì)稱，雨壓系數(shù)數(shù)值較小，均在0～0.1范圍內(nèi)；b.雨壓系數(shù)主要在迎風(fēng)面兩側(cè)各40°范圍內(nèi)分布，在其他區(qū)域數(shù)值幾乎為0，說明強(qiáng)風(fēng)作用下雨滴擊打區(qū)主要集中在迎風(fēng)面附近區(qū)域，只有少量雨滴落在背風(fēng)面區(qū)域；c.將風(fēng)、雨壓力系數(shù)進(jìn)行疊加，得到冷卻塔總壓力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)總壓力系數(shù)與風(fēng)壓系數(shù)基本吻合，但在部分區(qū)域雨壓系數(shù)可達(dá)到0.07以上，與風(fēng)壓系數(shù)比值最高可達(dá)26.98%，表明強(qiáng)降雨對(duì)冷卻塔表面壓力系數(shù)具有一定影響。

圖6 冷卻塔喉部斷面風(fēng)壓系數(shù)與雨壓系數(shù)曲線對(duì)比示意圖Fig.6 Contrast diagrams between wind and rain pressure coefficients on throat section of cooling tower

3 有限元分析

3.1 有限元建模及動(dòng)力特性分析

基于大型通用有限元分析軟件ANSYS建立冷卻塔結(jié)構(gòu)有限元模型，塔筒采用Shell63單元，環(huán)基及與環(huán)基連接的64對(duì)X字型柱均采用Beam188單元模擬，采用Block Lanczos 方法求解冷卻塔自振頻率和振型[20-21]。表4為冷卻塔前10階自振頻率分布曲線和振型圖?？梢?，冷卻塔具有軸對(duì)稱性，其奇數(shù)階和偶數(shù)階頻率基本一致；冷卻塔自振頻率小，其基頻僅為0.529 Hz，前10階頻率均在0.8 Hz以下，結(jié)構(gòu)自振頻率低且分布密集；結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜且具

表4 冷卻塔前10階固有頻率和振型列表

有明顯的三維特征，同時(shí)伴隨有子午向和環(huán)向的振動(dòng)變形。

3.2 穩(wěn)定性分析

3.2.1 屈曲穩(wěn)定性

表5為冷卻塔在風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下的屈曲模態(tài)及特征值列表。可見：a.兩種荷載作用下臨界風(fēng)速均大于設(shè)計(jì)風(fēng)速，滿足設(shè)計(jì)要求；b.冷卻塔屈曲部位均位于塔筒中下部，且最大位移超過1 m；c.相比于風(fēng)荷載，風(fēng)雨荷載共同作用對(duì)冷卻塔屈曲穩(wěn)定性略有不利，屈曲系數(shù)和臨界風(fēng)速均有所減低，且最大位移增加10%左右。

3.2.2 局部穩(wěn)定性

根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，冷卻塔的局部穩(wěn)定性為

(3)

(4)

(5)

其中：σ1和σ2為不同荷載組合工況下的環(huán)向和子午向壓應(yīng)力；σcr1為環(huán)向臨界壓力；σcr2為子午向臨界壓力；h和r0分別為塔筒喉部壁厚與半徑；E和ν分別為殼體混凝土的彈性模量和泊松比；K1，K2可以根據(jù)塔筒幾何參數(shù)插值得到，這里冷卻塔取K1=0.232 3，K2=1.250 6；KB為局部穩(wěn)定因子，規(guī)范要求需大于5.0。

為對(duì)比冷卻塔在風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下局部穩(wěn)定性特征，圖7為兩種荷載工況下冷卻塔層最小局部穩(wěn)定因子隨高度變化曲線?？梢姡簝煞N荷載工況下最小局部穩(wěn)定因子均大于規(guī)范規(guī)定的最小值5.0，滿足局部穩(wěn)定安全要求；兩種荷載工況下冷卻塔層最小局部穩(wěn)定因子隨高度變化規(guī)律一致，整體上均隨高度的增加先減小后增大， 最小值均在塔

表5 兩種荷載工況下冷卻塔屈曲模態(tài)及特征值列表

筒132 m高且環(huán)向290°處；相比于風(fēng)荷載，風(fēng)雨荷載共同作用對(duì)冷卻塔局部穩(wěn)定性略有不利，最小局部穩(wěn)定因子為5.267，降低約2%。

圖7 兩種荷載工況下冷卻塔層最小局部穩(wěn)定因子對(duì)比Fig.7 Contrast of layer minimum local stability stable factors of cooling tower under two kinds of loads

3.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.3.1 塔筒響應(yīng)

圖8為冷卻塔在風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下的塔筒徑向位移對(duì)比示意圖。正值表示位移由冷卻塔中心軸指向外側(cè)，0°子午線為正迎風(fēng)方向。可見：a.兩種荷載工況下冷卻塔塔筒徑向位移分布規(guī)律一致，均沿迎風(fēng)面對(duì)稱，且最大正值出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面70°子午線左右，最大負(fù)值出現(xiàn)于迎風(fēng)面0°子午線上；b.冷卻塔在0°和70°子午線上均隨著高度的增加先增大后減小，且至喉部達(dá)到最大；c.風(fēng)荷載作用下，塔筒徑向位移最大正值和負(fù)值分別為0.080 m和-0.091 m，雨荷載的疊加使其分別增加約2%和1.5%。

圖9為冷卻塔在風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下塔筒子午向軸力對(duì)比示意圖。由圖可知：a.兩種荷載工況下塔筒子午向軸力分布規(guī)律基本一致，均沿迎風(fēng)面對(duì)稱， 且最大正值出現(xiàn)在塔筒迎風(fēng)面0°子午

圖9 兩種荷載工況下冷卻塔塔筒子午向軸力對(duì)比Fig.9 Contrast of meridian axial force of cooling tower drum under two kinds of loads

線上，最大負(fù)值出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面70°子午線左右；b.隨著高度的增大，兩種工況塔筒的子午向軸力隨環(huán)向角度的變化幅度均顯著減小，且在塔頂數(shù)值基本一致；c.風(fēng)荷載作用下，塔筒子午向軸力最大正值和負(fù)值分別為79.604 kN和-3650.51 kN，雨荷載的疊加使其分別增加約17.4%和1.5%，對(duì)應(yīng)角度為別為0°和300°左右，可見雨荷載對(duì)迎風(fēng)區(qū)域子午向軸力影響顯著。

表6為風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下冷卻塔塔筒各內(nèi)力極值及其發(fā)生角度列表。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于風(fēng)荷載，雨荷載的疊加均增大了塔筒各內(nèi)力極值，但增幅各有不同，其中，0°子午向軸力增幅顯著，最大可達(dá)17.4%，其他內(nèi)力增幅較小。

3.3.2 支柱響應(yīng)

表7為兩種荷載工況下冷卻塔支柱各內(nèi)力極值及其發(fā)生角度。圖10為冷卻塔在風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下支柱右上端的軸力、徑向剪力、徑向彎矩及扭矩對(duì)比示意圖。由圖表對(duì)比可知：a.兩種荷載工況下冷卻塔支柱各內(nèi)力分布規(guī)律基本一致，且沿環(huán)向均無對(duì)稱性；b.4種內(nèi)力極值主要分布在迎風(fēng)面0°子午線和側(cè)風(fēng)面300°子午線左右，其中徑向彎矩極值分布在迎風(fēng)面0°子午線上，其他3種內(nèi)力極值分布在側(cè)風(fēng)面300°子午線左右；c.相比于風(fēng)荷載，雨荷載的疊加使支柱各內(nèi)力均有所增大，增幅分別為軸力1.3%、徑向剪力1%、徑向彎矩1.4%和扭矩3.1%。

表6 兩種荷載工況下冷卻塔塔筒各內(nèi)力極值及其發(fā)生角度列表

表7 兩種荷載工況下冷卻塔支柱各內(nèi)力極值及其發(fā)生角度列表

3.3.3 環(huán)基響應(yīng)

表8和圖11分別為風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下冷卻塔環(huán)基最大位移列表和位移對(duì)比示意圖。分析得到兩種荷載工況下冷卻塔環(huán)基位移分布規(guī)律一致，且徑向位移和豎向位移沿環(huán)向?qū)ΨQ，而環(huán)向位移沿環(huán)向不對(duì)稱。相比于風(fēng)荷載，雨荷載的疊加使環(huán)基各位移均有所增大，增幅分別為徑向位移2.4%、環(huán)向位移3.2%和豎向位移1%。

圖10 兩種荷載工況下冷卻塔支柱各內(nèi)力對(duì)比Fig.10 Contrast of internal forces of cooling tower pillars under two kinds of loads

圖11 兩種荷載工況下冷卻塔環(huán)基位移對(duì)比Fig.11 Contrast of cooling tower base displacement under two kinds of loads

Tab.8Maximumdisplacementofcoolingtowerbaseundertwokindsofloads

位移類別風(fēng)荷載風(fēng)雨荷載增大幅值/%徑向位移/m-0.037 0-0.037 92.4環(huán)向位移/m0.015 50.016 03.2豎向位移/m-0.014 4-0.014 51.0

圖12為風(fēng)荷載和風(fēng)雨荷載共同作用下冷卻塔環(huán)基軸力和徑向彎矩對(duì)比曲線。分析發(fā)現(xiàn)：a.兩種荷載工況下冷卻塔環(huán)基軸力和徑向彎矩分布規(guī)律一致，且軸力和徑向彎矩均沿環(huán)向角度對(duì)稱；b.風(fēng)荷載作用下冷卻塔最大環(huán)基軸力和徑向彎矩分別為27 640 kN和15 666 kN·m，對(duì)應(yīng)角度均在側(cè)風(fēng)面295°子午線左右；c.相比于風(fēng)荷載，雨荷載的疊加使環(huán)基軸力和徑向彎矩均有所增大，增幅分別為軸力0.5%和徑向彎矩1.5%。

圖12 兩種荷載工況下冷卻塔環(huán)基內(nèi)力對(duì)比Fig.12 Contrast of internal force of cooling tower base under two kinds of loads

4 結(jié) 論

1) 基于CFD方法對(duì)超大型冷卻塔進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)雨場(chǎng)數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)測(cè)結(jié)果以及相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了風(fēng)雨共同作用數(shù)值模擬的有效性。

2) 冷卻塔背風(fēng)區(qū)雨滴因受尾流回旋的影響呈現(xiàn)出不同尺度的回流以及相應(yīng)的速度負(fù)值，逆風(fēng)向雨荷載約占順風(fēng)向雨荷載的0.1%，但總雨荷載占總風(fēng)荷載的6.71%，同時(shí)塔筒部分區(qū)域雨壓系數(shù)達(dá)到0.07以上，與風(fēng)壓系數(shù)比值最高可達(dá)26.98%。

3) 相比于風(fēng)荷載，風(fēng)雨荷載共同作用對(duì)冷卻塔整體屈曲穩(wěn)定和局部穩(wěn)定均略有不利，其中，屈曲系數(shù)和臨界風(fēng)速均有所減低，且最大屈曲位移增量達(dá)10%左右，最小局部穩(wěn)定因子降低約2%。

4) 雨荷載的疊加對(duì)冷卻塔各部位的影響程度為塔筒>環(huán)基>支柱，其中，塔筒0°子午向軸力最大增量達(dá)17.4%，環(huán)基環(huán)向位移最大增量為3.2%，支柱扭矩最大增量為3.1%。

5) 綜上所述，考慮風(fēng)雨共同作用對(duì)于此類大型冷卻塔迎風(fēng)面兩側(cè)40°區(qū)域壓力系數(shù)影響不能忽略；大型冷卻塔局部穩(wěn)定計(jì)算中可以不予考慮雨荷載的影響，但整體屈曲穩(wěn)定計(jì)算時(shí)不可忽略；雨荷載對(duì)冷卻塔支柱和環(huán)基影響較小，可忽略不計(jì)，但塔筒迎風(fēng)面區(qū)域子午向軸力計(jì)算時(shí)建議考慮雨荷載效應(yīng)。

6) 本研究?jī)H是針對(duì)冷卻塔在風(fēng)驅(qū)雨單項(xiàng)作用下的氣動(dòng)和受力性能初探，后續(xù)會(huì)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[22-23]和風(fēng)-雨雙向耦合[24]手段，進(jìn)一步展開風(fēng)-雨耦合作用下此類大型冷卻塔結(jié)構(gòu)氣動(dòng)和流場(chǎng)機(jī)理的精細(xì)化研究。