超大型冷卻塔龍卷風(fēng)作用塔筒內(nèi)表面風(fēng)荷載特性研究

陳 旭， 黃瓏霆， 丁福祥， 韓 力， 王 通， 趙 林

(1. 上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 上海 201418； 2. 同濟(jì)大學(xué) 防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

冷卻塔作為火/核電廠二次高溫循環(huán)水冷卻的重要基礎(chǔ)設(shè)施，被譽(yù)為世界上體量最大的空間薄壁殼體結(jié)構(gòu)[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，為滿足國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展帶來(lái)的電力高速持續(xù)增長(zhǎng)需求，國(guó)內(nèi)興建/預(yù)研了一批超規(guī)范適用高度(165 m)[2-3]甚至刷新世界記錄(200 m，德國(guó)Niederaussem電廠)[4]的火/核電超大型冷卻塔。

這類兼具超高層建筑和超大跨空間結(jié)構(gòu)的超大型冷卻塔具有自振頻率低、模態(tài)密集、阻尼比小等典型風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[5-6]。傳統(tǒng)抗風(fēng)理論框架下的冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究主要基于良態(tài)氣候模式，風(fēng)速剖面、紊流度、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)速譜等風(fēng)環(huán)境參數(shù)主要針對(duì)季風(fēng)、冷鋒大風(fēng)等氣候特征[7-8]。面對(duì)全球氣候變化導(dǎo)致龍卷風(fēng)等特異風(fēng)災(zāi)氣候頻發(fā)，受災(zāi)程度加劇的趨勢(shì)[9]。若繼續(xù)沿用基于傳統(tǒng)直線式邊界層氣流模擬的風(fēng)洞試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算分析勢(shì)必帶來(lái)巨大的安全隱患。尤其對(duì)于核電廠而言，一旦發(fā)生龍卷風(fēng)導(dǎo)致倒塔事故，輕則造成財(cái)產(chǎn)損失，重則危害核電廠運(yùn)營(yíng)安全甚至引發(fā)核安全事故。

風(fēng)荷載作用下的冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓相對(duì)外表面雖然分布較為均勻，沿高度方向差異較小，但是其數(shù)值大小對(duì)塔筒殼體穩(wěn)定具有重要影響,考慮內(nèi)壓效應(yīng)后，冷卻塔整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定性下降，并隨著塔高的增加下降趨勢(shì)更加顯著[10]。我國(guó)水工規(guī)范和德國(guó)VGB規(guī)范[11]均定義塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓均值取塔頂風(fēng)壓的-0.5倍；Kasperski等[12]的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也表明內(nèi)壓沿環(huán)向和子午向均勻分布，體型系數(shù)均值取-0.5；李鵬飛等[13]、鄒云峰等[14]、柯世堂等[15-17]分別基于風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬建議了不同透風(fēng)率、風(fēng)雨耦合和風(fēng)熱耦合作用下的塔筒內(nèi)壓分布取值參考。然而，上述研究均基于良態(tài)氣候模式。Cao等[18]基于龍卷風(fēng)物理模擬器開(kāi)展了龍卷風(fēng)作用下的超大型冷卻塔表面風(fēng)荷載特性研究，結(jié)果表明：塔筒內(nèi)壓分布較為均勻，且內(nèi)吸力遠(yuǎn)大于良態(tài)氣候。上述研究可謂是超大型冷卻塔龍卷風(fēng)作用下的內(nèi)壓初探，但對(duì)于內(nèi)壓分布規(guī)律和內(nèi)壓參考取值并未深入開(kāi)展討論研究。

鑒于此，本文以某規(guī)劃建設(shè)的超大型冷卻塔(215 m)為研究對(duì)象，采用龍卷風(fēng)物理模擬裝置，開(kāi)展超大型冷卻塔在靜態(tài)龍卷風(fēng)作用下塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓分布規(guī)律研究，提出塔筒內(nèi)壓分布數(shù)學(xué)模型，量化內(nèi)吸力取值，為超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 工程背景與試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

該規(guī)劃擬建的雙曲線型自然通風(fēng)冷卻塔總高215 m，塔筒喉部標(biāo)高160.610 m，塔筒下環(huán)梁標(biāo)高19.594 m，塔頂中面半徑51.622 m，喉部中面半徑49.684 m，柱底(±0.000 m)中心半徑84.634 m，塔筒底部殼體最大壁厚1.800 m，喉部附近最小壁厚0.270 m，整個(gè)塔筒由46根矩形截面一字柱支撐，原型結(jié)構(gòu)尺寸如示圖1所示。

圖1 冷卻塔原型結(jié)構(gòu)示意圖(m)Fig.1 The prototype of cooling tower (m)

綜合考慮龍卷風(fēng)物理模擬裝置的阻塞率以及試驗(yàn)龍卷風(fēng)的實(shí)際尺寸，確定該超大型冷卻塔物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比為1/1 500。模型采用鋁錠材料并經(jīng)數(shù)控銑床加工而成，確保了模型的加工精度和風(fēng)洞試驗(yàn)必要的結(jié)構(gòu)剛度(見(jiàn)圖2)。為了使測(cè)量風(fēng)壓具有代表性，12個(gè)內(nèi)表面測(cè)壓點(diǎn)均勻布置在塔筒喉部位置。測(cè)壓設(shè)備為PSI公司DTC Initium電子式動(dòng)態(tài)壓力掃描閥，采樣頻率為600 Hz。

圖2 冷卻塔試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model of cooling tower

2 龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬

2.1 試驗(yàn)裝置

龍卷風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載研究有物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三種方法。其中，物理試驗(yàn)由于模擬參數(shù)可控成為目前龍卷風(fēng)作用下各類機(jī)理研究應(yīng)用最為廣泛的工具。本試驗(yàn)基于同濟(jì)大學(xué)防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新型龍卷風(fēng)模擬器，該模擬器與美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)龍卷風(fēng)模擬設(shè)備原理相似[19],屬于Ward型龍卷風(fēng)模擬器(見(jiàn)圖3)。整個(gè)裝置由三個(gè)同軸圓筒構(gòu)成，風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流板布置在模擬器頂部，通過(guò)移動(dòng)臺(tái)架模擬自然界中龍卷風(fēng)的水平遷移。試驗(yàn)平臺(tái)采用開(kāi)口式設(shè)計(jì)，升降高度H可在150～550 mm范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，從而滿足不同縮尺比的模型試驗(yàn)要求。

圖3 同濟(jì)大學(xué)龍卷風(fēng)模擬器示意圖(mm)Fig.3 Schematic of Tongji’s tornado vortex simulator (mm)

與之配套的龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量設(shè)備是澳大利亞TFI公司的Cobra Probe三維脈動(dòng)風(fēng)速儀以及DPMS動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)。該儀器的四孔探頭可以測(cè)量±45°圓錐范圍內(nèi)2～100 m/s的三向風(fēng)速和靜壓，測(cè)量頻率為0 ～3 000 Hz。

2.2 風(fēng)場(chǎng)特征

龍卷風(fēng)作為具有三維強(qiáng)切變旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的小尺度強(qiáng)烈渦旋，渦流比(Swirl ratio)是影響龍卷風(fēng)渦核結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)[20]，衡量切向環(huán)量與軸向動(dòng)量的比值；Ward型龍卷風(fēng)模擬器的渦流比按如下定義[21]

(1)

式中:r0是上升半徑，與風(fēng)機(jī)圓筒半徑相同，為250 mm；H是試驗(yàn)平臺(tái)的高度，本試驗(yàn)固定在300 mm；θV是導(dǎo)流板角度，試驗(yàn)中以10°的間隔在20°～60°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；對(duì)應(yīng)五個(gè)渦流比分別為0.15、0.24、0.35、0.50和0.72。

龍卷風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征可通過(guò)切向風(fēng)速U、徑向風(fēng)速V、軸向風(fēng)速W和氣壓降P四個(gè)參量描述。其中，切向風(fēng)速是龍卷風(fēng)最主要的速度分量，氣壓降則是造成結(jié)構(gòu)破壞的最主要因素?？紤]到國(guó)內(nèi)F4級(jí)以上的龍卷風(fēng)發(fā)生概率較小，本試驗(yàn)中龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬的風(fēng)速比設(shè)定為1/10。

圖4給出了S=0.72時(shí)龍卷風(fēng)切向風(fēng)速U分布，其中，相對(duì)龍卷風(fēng)渦核中心的距離r以及豎向高度h均由r0進(jìn)行量綱歸一化，可以看出：龍卷風(fēng)渦核半徑rc(同一高度沿r方向最大切向風(fēng)速Umax的位置)沿h呈“漏斗型”分布，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的最大切向速度出現(xiàn)在龍卷風(fēng)底部靠近地表的渦核半徑位置；沿r方向，切向速度呈W型分布，從渦核中心向外U先增大再減小，在rc處達(dá)到最大值。圖5將五種渦流比下的U與Mulhall[22]和Spencer[23]兩次龍卷風(fēng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，其中，U與r分別由Umax和rc進(jìn)行量綱歸一化，可以看出：試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，也說(shuō)明了該模擬器可以較好模擬龍卷風(fēng)的切向風(fēng)速場(chǎng)。

圖4 龍卷風(fēng)切向風(fēng)速U分布Fig.4 Distribution of tangential wind velocity U

徑向風(fēng)速V表示龍卷風(fēng)周圍氣流向渦核中心匯聚的速度，圖6給出了S=0.72時(shí)的V分布，正/負(fù)值分別表示氣流從四周流出/流向渦核中心，可以看出：渦核中心以外，氣流向龍卷風(fēng)中心匯聚；渦核中心附近，氣流從中心向外流出；V的最大值出現(xiàn)在龍卷風(fēng)底部靠近地表附近。

軸向風(fēng)速W表示龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中氣流上升的速度，圖7給出了S=0.72時(shí)的W分布，正/負(fù)值分別表示上升/下降氣流，可以看出：渦核半徑處上升氣流速度最大，渦核半徑外氣流下降；由于渦流比較大，渦核中心出現(xiàn)了下降氣流。

圖5 切向風(fēng)速試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparison of U in the test with those fromfield measurements

圖6 龍卷風(fēng)徑向風(fēng)速V分布Fig.6 Distribution of radial wind velocity V

圖7 龍卷風(fēng)軸向風(fēng)速W分布Fig.7 Distribution of axial wind velocity W

為了顯示龍卷風(fēng)二維渦核結(jié)構(gòu)，將V和W進(jìn)行矢量求和，圖8分別給出了低(S=0.15)、高(S=0.72)兩種渦流比下的結(jié)果，可以看出：低渦流比下，龍卷風(fēng)渦核結(jié)構(gòu)中只有上升氣流，為單核；高渦流比下，渦核中心出現(xiàn)了明顯的下降氣流，為雙核龍卷風(fēng)；因此，渦流比增大，龍卷風(fēng)從單核向雙核轉(zhuǎn)變。同時(shí)，渦核中心兩側(cè)的空氣流速不對(duì)稱，說(shuō)明了龍卷風(fēng)渦核結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱。

圖9給出了S=0.72時(shí)的氣壓降P分布，可以看出：渦核中心氣壓降最大，距離渦核中心越遠(yuǎn)，氣壓降越小。將五種渦流比下的氣壓降與Rankine理論模型[24]以及Manchester實(shí)測(cè)值[25]進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖10)，分布形式上試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，均為非對(duì)稱V型分布，Rankine模型則為對(duì)稱V型分布，數(shù)值上試驗(yàn)值與Rankine模型較為接近，但與實(shí)測(cè)值存在一定偏差，這是由于試驗(yàn)中無(wú)法再現(xiàn)某個(gè)特定的龍卷風(fēng)。

(a) S=0.15

圖9 龍卷風(fēng)氣壓降W分布Fig.9 Distribution of pressure drop accompanying a tornado W

圖10 氣壓降試驗(yàn)值、理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.10 Comparison of P in the test with results from thetheoretical model and the field measurement

從對(duì)龍卷風(fēng)U、V、W和P的模擬結(jié)果來(lái)看，該龍卷風(fēng)模擬器可以較好地模擬自然界中真實(shí)龍卷風(fēng)的一般風(fēng)場(chǎng)特征。

3 內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 參數(shù)定義

與傳統(tǒng)大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)壓數(shù)據(jù)處理方式相同，采用風(fēng)壓系數(shù)對(duì)龍卷風(fēng)作用下的內(nèi)表面風(fēng)荷載進(jìn)行無(wú)量綱化處理，其定義如下

(2)

式中:CP是無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)；P是環(huán)向角度θ下風(fēng)壓時(shí)程；P∞是遠(yuǎn)離龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的靜壓；ρa(bǔ)ir是空氣密度；Umax是渦核半徑處的最大切向速度。

極值風(fēng)壓采用考慮測(cè)點(diǎn)間相關(guān)性的定義方式，公式如下

μE=μP+ρ*g*σP

(3)

式中：μP、σP和μE分別是內(nèi)壓系數(shù)的均值、脈動(dòng)值和極值；g是Davenport峰值因子[26];ρ是內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)。

冷卻塔中心與龍卷風(fēng)渦核中心相對(duì)距離rm的定義如圖11所示；其中，rm的正/負(fù)值分別表示龍卷風(fēng)位于冷卻塔左/右側(cè)，1～12分別為塔筒喉部12個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)的環(huán)向位置。

圖11 冷卻塔與龍卷風(fēng)相對(duì)距離Fig.11 Relative distance between cooling tower and tornado

3.2 分布特征

圖12給出了S=0.72時(shí)冷卻塔相對(duì)龍卷風(fēng)渦核中心不同距離的環(huán)向內(nèi)壓分布，其中，rm由rc進(jìn)行量綱歸一化；可以看出：內(nèi)壓均值和脈動(dòng)值沿環(huán)向分布均勻，當(dāng)冷卻塔位于龍卷風(fēng)渦核中心時(shí)(rm/rc=0)，內(nèi)吸力最大，內(nèi)壓的脈動(dòng)性也最強(qiáng)，隨著冷卻塔逐漸遠(yuǎn)離龍卷風(fēng)渦核中心，內(nèi)吸力逐漸減?。煌瑫r(shí)，與平均值相比，內(nèi)壓脈動(dòng)值較小，說(shuō)明內(nèi)壓時(shí)程的波動(dòng)性較小；內(nèi)壓的分布特征說(shuō)明了其受塔筒外部龍卷風(fēng)三維風(fēng)場(chǎng)的影響較小，主要受龍卷風(fēng)氣壓降的影響。

圖13給出了不同渦流比龍卷風(fēng)下的冷卻塔內(nèi)壓分布，其中，內(nèi)壓均值/脈動(dòng)值是對(duì)相同rm處環(huán)向12個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)平均/脈動(dòng)內(nèi)壓系數(shù)取算術(shù)平均。從均值分布來(lái)看：當(dāng)冷卻塔位于龍卷風(fēng)渦核半徑內(nèi)(0≤|rm/rc| ≤1)，內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值隨著S的增大而減小，即S越大，內(nèi)吸力越小；當(dāng)冷卻塔位于龍卷風(fēng)渦核半徑以外(|rm/rc| >1)，內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值隨著S的增大而增大，即S越大，內(nèi)吸力越越大。從脈動(dòng)值分布來(lái)看：0≤|rm/rc| ≤1的內(nèi)壓脈動(dòng)性最大，|rm/rc| >1的內(nèi)壓脈動(dòng)性迅速減小，同時(shí)，低渦流比龍卷風(fēng)作用下的內(nèi)壓脈動(dòng)性大于高渦流比。

(a) 內(nèi)壓均值

(b) 內(nèi)壓脈動(dòng)值圖12 冷卻塔內(nèi)壓環(huán)向分布Fig.12 Distributions of inner pressure coefficients oncooling tower in the circumferential direction

(a) 內(nèi)壓均值

(b) 內(nèi)壓脈動(dòng)值圖13 不同龍卷風(fēng)渦流比下冷卻塔內(nèi)壓分布Fig.13 Distributions of inner pressure coefficients oncooling tower with swirl ratios

從S=0.72時(shí)所有內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)與1號(hào)測(cè)壓點(diǎn)間的環(huán)向相關(guān)系數(shù)分布來(lái)看(見(jiàn)圖14)，隨著測(cè)壓點(diǎn)沿環(huán)向逐漸遠(yuǎn)離1號(hào)點(diǎn)，相關(guān)性逐漸減弱，但是即便是與1號(hào)點(diǎn)相背離的7號(hào)測(cè)壓點(diǎn)，兩者之間的相關(guān)系數(shù)也約0.90，因此，可以說(shuō)龍卷風(fēng)作用下的環(huán)向內(nèi)壓間呈強(qiáng)相關(guān)性。

圖14 內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)分布Fig.14 Distributions of correlation coefficients amonginner pressure taps

圖15給出了五種渦流比下相關(guān)系數(shù)隨冷卻塔與龍卷風(fēng)相對(duì)距離的變化趨勢(shì)，其中，每個(gè)rm處的相關(guān)系數(shù)是對(duì)環(huán)向12個(gè)測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均值。隨著rm的增大，內(nèi)壓間的相關(guān)性先增大再減小，在渦核半徑處(|rm/rc|=1)相關(guān)性最強(qiáng)；同時(shí)，高渦流比下的內(nèi)壓相關(guān)性要小于低渦流比。

圖15 不同龍卷風(fēng)渦流比下冷卻塔內(nèi)壓相關(guān)性Fig.15 Correlation coefficients of inner pressures withswirl ratios

圖16和圖17分別給出了峰值因子沿環(huán)向的分布以及五種渦流比下峰值因子隨冷卻塔相對(duì)位置的變化，可以看出：g沿環(huán)向均勻分布，不同S下，數(shù)值介于3.6～4.0之間；當(dāng)冷卻塔位于龍卷風(fēng)渦核中心(|rm/rc|=0)以及渦核半徑處(|rm/rc|=1)，g最??；低渦流比龍卷風(fēng)下的g要小于高渦流比下。

由于構(gòu)成內(nèi)壓極值μE的均值μP、脈動(dòng)值σP、峰值因子g以及相關(guān)系數(shù)ρ均沿環(huán)向均勻分布，因此，μE也沿環(huán)向均勻分布(見(jiàn)圖18)；同時(shí)，μE在|rm/rc|=0絕對(duì)值最大，即渦核中心的冷卻塔內(nèi)吸力極值最大，隨著|rm/rc|逐漸增大，μE絕對(duì)值逐漸減小，當(dāng)|rm/rc|>1后，μE絕對(duì)值迅速減?。徊⑶?，當(dāng)0≤|rm/rc|≤1時(shí)，μE絕對(duì)值隨著S增大而減小，而|rm/rc|>1后，μE絕對(duì)值隨著S增大而增大(見(jiàn)圖19)。

圖16 內(nèi)壓峰值因子分布Fig.16 Distributions of peak factors of inner pressures

圖17 不同龍卷風(fēng)渦流比下冷卻塔內(nèi)壓峰值因子Fig.17 Peak factors of internal pressures with swirl ratios

圖18 內(nèi)壓極值分布Fig.18 Distributions of peak values of inner pressures

3.3 內(nèi)壓模型

從不同渦流比下冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓隨龍卷風(fēng)與冷卻塔相對(duì)位置的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖13(a)、圖19)可以看出，其分布形式與龍卷風(fēng)氣壓降的分布形式相似(見(jiàn)圖10)，服從Rankine模型的V型分布。

圖19 不同龍卷風(fēng)渦流比下冷卻塔內(nèi)壓極值Fig.19 Peak values of inner pressures with swirl ratios

基于Rankine二維渦旋模型的龍卷風(fēng)氣壓降[27]表述如下

(4)

式中:P(r)是距離龍卷風(fēng)渦核中心位置r處的龍卷風(fēng)氣壓降;Pmin是龍卷風(fēng)渦核中心的氣壓降;rc是龍卷風(fēng)渦核半徑。

由于龍卷風(fēng)作用下的冷卻塔內(nèi)壓主要受氣壓降的影響，將內(nèi)壓均值表述成與Rankine模型相似的形式，公式如下

(5)

(6)

式中:μP(rm)是距離龍卷風(fēng)渦核中心rm位置處的冷卻塔內(nèi)壓均值;μmin是處于龍卷風(fēng)渦核中心位置的冷卻塔內(nèi)壓均值。

圖20給出了S=0.72時(shí)y與x的擬合關(guān)系式，冷卻塔內(nèi)壓隨其相對(duì)龍卷風(fēng)的位置呈對(duì)數(shù)分布關(guān)系，并且試驗(yàn)值與擬合值吻合較好(見(jiàn)圖21)。表1給出了五種渦流比下的內(nèi)壓擬合關(guān)系，可以看出：不同渦流比下，冷卻塔內(nèi)壓與其相對(duì)龍卷風(fēng)的距離均滿足對(duì)數(shù)分布關(guān)系，其中擬合關(guān)系式中的常數(shù)項(xiàng)均為1，對(duì)數(shù)項(xiàng)因子為0.32～0.40。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一般采用最不利荷載，對(duì)五種龍卷風(fēng)渦流比下的冷卻塔內(nèi)壓均值取最不利分布，并采用上述模型進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖22)；其中，冷卻塔位于龍卷風(fēng)渦核中心的內(nèi)壓均值取-1.82，對(duì)數(shù)擬合公式的常數(shù)項(xiàng)和對(duì)數(shù)項(xiàng)因子分別取1和0.34(見(jiàn)式(7))。與水工規(guī)范中定義的良態(tài)氣候下冷卻塔內(nèi)壓均值-0.5相比，龍卷風(fēng)產(chǎn)生的內(nèi)吸力大于良態(tài)氣候，這將不利于塔筒局部風(fēng)致穩(wěn)定性。

μP(rm)=

(7)

圖20 內(nèi)壓分布擬合關(guān)系Fig.20 Fitting curve of inner pressure distributions

圖21 內(nèi)壓試驗(yàn)值與擬合值對(duì)比Fig.21 Comparison between experimental values and fitting values

表1 五種渦流比下的內(nèi)壓擬合曲線Tab.1 Fitting curves of inner pressure with five swirl ratios

4 結(jié) 論

本文采用龍卷風(fēng)物理模擬裝置開(kāi)展了某215 m超大型冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載特性研究，探討了不同渦流比下的塔筒內(nèi)壓分布特征，提出了龍卷風(fēng)作用下的塔筒內(nèi)壓分布數(shù)學(xué)模型，主要結(jié)論如下：

圖22 最不利內(nèi)壓值擬合Fig.22 Fitting of the most adverse inner pressures

(1) 龍卷風(fēng)作用下的冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓受龍卷風(fēng)氣壓降和塔筒外部龍卷風(fēng)三維風(fēng)場(chǎng)共同作用，其中，氣壓降是影響內(nèi)壓大小和分布的最主要因素。

(2) 龍卷風(fēng)作用下的塔筒內(nèi)壓呈均勻分布、環(huán)向強(qiáng)相關(guān)的負(fù)壓，即表現(xiàn)為吸力；內(nèi)吸力隨龍卷風(fēng)渦核半徑內(nèi)渦流比的減小以及塔心至渦心間距的減小而增大，即冷卻塔位于低渦流比下的龍卷風(fēng)渦核中心時(shí)所受內(nèi)吸力最大。

(3) 龍卷風(fēng)作用下的塔筒內(nèi)壓服從Rankine渦旋模型的V型分布，可以定量表示為與塔筒和龍卷風(fēng)相對(duì)位置有關(guān)的對(duì)數(shù)模型；最不利工況下龍卷風(fēng)渦核中心的塔筒內(nèi)壓均值取-1.82，內(nèi)吸力大于水工規(guī)范定義的良態(tài)氣候；內(nèi)壓對(duì)數(shù)擬合公式中的常數(shù)項(xiàng)和對(duì)數(shù)項(xiàng)因子分別取1和0.34。