冷卻塔外部風(fēng)壓分布數(shù)值模擬研究*

孫曉勇，袁子厚，胡新榮

（1.中南電力設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢430071；2.湖北省服裝信息化工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430073；3.山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心(重慶交通大學(xué))，重慶 400074）

風(fēng)荷載是雙曲線型冷卻塔的主要荷載之一，確切地給出風(fēng)荷載對(duì)確保冷卻塔的安全性有著重大的意義。

中泰化學(xué)新疆托克遜100 萬(wàn)t 電石新建工程冷卻塔塔高155m，該塔為現(xiàn)澆鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結(jié)構(gòu)，冷卻塔外壁上等間距布置60 個(gè)肋，塔筒由40 對(duì)鋼筋混凝土矩形“X”形支柱支撐，如圖1 所示。

CFD 方法是目前廣泛應(yīng)用的確定高層建筑和大跨度平屋面等的平均和脈動(dòng)風(fēng)荷載的方法。其可以按照實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算，可避免風(fēng)洞試驗(yàn)只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的不足，克服試驗(yàn)中難以滿足雷洛數(shù)相似的困難，且成本低，速度快。但是國(guó)內(nèi)外采用CFD 方法計(jì)算冷卻塔風(fēng)荷載的實(shí)例較少[1-3]。比較常見(jiàn)的是運(yùn)用CFD 方法對(duì)單體和雙塔情況下冷卻塔的風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，但沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，沒(méi)有與對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。本文對(duì)冷卻塔風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性。

既有資料表明，英國(guó)渡橋電廠冷卻塔倒塌，主要是迎風(fēng)面子午向鋼筋受拉屈服斷裂造成的，因此冷卻塔子午向風(fēng)壓分布是在冷卻塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮的問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)冷卻塔風(fēng)壓監(jiān)測(cè)在78.5m 高截面布置30 個(gè)外測(cè)點(diǎn)，在100.5m 高截面布置12 個(gè)外測(cè)點(diǎn)，無(wú)法確定冷卻塔子午向風(fēng)壓分布，本文采用數(shù)值模擬方法補(bǔ)充這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 數(shù)值建模

數(shù)值分析不考慮冷卻塔在風(fēng)載荷作用下的變形，計(jì)算采取的物理模型如圖1 所示。本文計(jì)算采用的矩形區(qū)域，流向迎風(fēng)面邊界取在距離模型中心5H 位置（H 為冷卻塔的高度），其左右及上邊界也均距離模型中心5H。為了更好地模擬模型尾流的發(fā)展，其下游出口邊界距離模型中心10H，計(jì)算區(qū)域參如圖2 所示。冷卻塔的網(wǎng)格單元總數(shù)為220 萬(wàn)。

圖1 冷卻塔示意圖

圖2 冷卻塔數(shù)值模擬網(wǎng)格分布圖

數(shù)值模型模擬分析的邊界條件：

（1）計(jì)算區(qū)域的迎風(fēng)面上給定速度入口邊界條件，用指數(shù)律模擬大氣邊界層風(fēng)剖面。

來(lái)流中湍流動(dòng)能k 以及湍流耗散率ε 的剖面函數(shù)：

式中：Cu=0.09；l 為湍流積分尺度，這里取值為0.07倍的建筑特征尺度。

用UDF 函數(shù)自定義入口風(fēng)函數(shù)。

（2）尾流出口采用outflow 邊界條件。

（3）計(jì)算域的頂部和兩側(cè)，采用對(duì)稱邊界條件，對(duì)稱邊界條件等價(jià)于自由滑移的壁面，滿足邊界上法向速度為0。

（4）建筑物表面和地面，采用無(wú)滑移的壁面條件。

本文計(jì)算中采用了Realizable 形式的k-ε 湍流模型，來(lái)流的湍流強(qiáng)度為Iu（z）=0.1（z/zG）-α-0.05。

假定采用B 類地貌條件進(jìn)行分析，取u10=18m/s 作為參考風(fēng)速。

壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，動(dòng)量方程和湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率方程均采用一階離散格式。計(jì)算迭代收斂的標(biāo)準(zhǔn)為所有變量的殘差降到10-5以下并且流場(chǎng)區(qū)域中參數(shù)變化趨于定常。采用非平衡的壁面函數(shù)法來(lái)處理近壁面的湍流狀態(tài)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以風(fēng)速較大（最大風(fēng)速達(dá)14.53m/s）、風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定的工況1 為例計(jì)算。

用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（工況1）測(cè)出的78.5m、30 個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力值可以求出30 個(gè)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)，用數(shù)值模擬方法可以得出對(duì)應(yīng)位置30 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，兩者數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3 所示（由于30 個(gè)點(diǎn)對(duì)稱，取一半對(duì)比），兩者數(shù)據(jù)有一致的規(guī)律性。

用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（工況1）測(cè)出的100.5m、12 個(gè)外測(cè)點(diǎn)壓力值，可以求出12 個(gè)外測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)，用數(shù)值模擬方法可以得出對(duì)應(yīng)位置12 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，兩者數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4 所示（由于30 個(gè)點(diǎn)對(duì)稱，取一半對(duì)比），兩者數(shù)據(jù)有一致的規(guī)律性。

圖3 78.5m 高測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 100.5m 高測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖3、圖4 可知，冷卻塔CFD 模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一致的規(guī)律性，說(shuō)明CFD 方法的準(zhǔn)確性。鑒于CFD 方法的合理性，現(xiàn)從CFD 計(jì)算中提取冷卻塔原型風(fēng)壓子午向數(shù)據(jù)如圖5 ～7 所示。

3 冷塔原型風(fēng)壓子午向分布

4 數(shù)值對(duì)比

將數(shù)值模擬風(fēng)壓系數(shù)與中國(guó)規(guī)范、德國(guó)規(guī)范、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖8 所示。從圖8 可知，數(shù)值模擬風(fēng)壓系數(shù)與中國(guó)規(guī)范[4]、德國(guó)規(guī)范、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

圖5 冷卻塔迎風(fēng)面子午線風(fēng)壓分布

圖6 冷卻塔背風(fēng)面子午線風(fēng)壓分布

圖7 冷卻塔側(cè)面子午線風(fēng)壓分布

圖8 數(shù)值模擬與規(guī)范、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較圖