下击暴流作用下超大型冷却塔倒塌机制与失效准则研究

为研究下击暴流特异风作用下超大型冷却塔响应特征与倒塌机制,以中国西北地区某在建228 m世界最高冷却塔为对象,采用分层壳单元法建立结构多尺度有限元模型,基于LES方法获得超大型冷却塔在下击暴流作用下三种典型工况处的内外面脉动风压,再结合增量动力分析法分析超大型冷却塔风致倒塌全过程变化规律,提炼超大型冷却塔在下击暴流作用下的倒塌机制,最后构建下击暴流风驱下超大型冷却塔倒塌失效准则。研究表明:下击暴流下塔筒表面风压分布模式与良态风差异显著,超大型冷却塔倒塌机制随下击暴流中心距离增大由内凹机制转换为外掀机制,且当能量失效指标K≥2时,超大型冷却塔倒塌破坏。     

强风作用下超大型冷却塔结构失效准则与强健性分析

为分析超大型冷却塔在强风作用下的结构失效准则与强健性,以超规范高度限值的世界最高220 m超大型冷却塔为例,基于ANSYS/LS?DYNA平台建立结构三维有限元模型,对其风致倒塌全过程进行数值仿真分析.研究了典型风速下位移响应与塔筒内力分布特性,得出最不利响应发生的位置、数值及分布规律,探讨了强风下塔筒结构"稳定?失稳...     

前置定向窗对冷却塔倒塌效果的数值模拟研究

前置定向窗的开设是冷却塔能够扭曲倒塌的关键。通过高速摄影观测贵阳电厂冷却塔倒塌过程中因未开设前置定向窗从而导致倒塌长度超过预计范围。为了研究前置定向窗开设对冷却塔倒塌效果的影响,模拟了开设不同规格前置定向窗条件下的冷却塔在自重作用下的触地、扭曲变形、扭转撕裂、完全落地各阶段的时间和倒塌面积。模拟结果表明:前置定向窗切口越高,冷却塔扭曲撕裂过程越早,倒塌宽度越小,有助于控制塔身坍塌面积;定向窗宽度对冷却塔倒塌效果不明显;不同规格定向窗对冷却塔整体倒塌时间影响不大。     

大型冷却塔风荷载的数值模拟研究

针对单体和双塔情况下冷却塔的风荷载进行CFD数值模拟计算,获得冷却塔表面的压力系数。单个冷却塔CFD模拟的结果与规范数据比较接近,说明CFD方法的准确性,同时也发现一些偏差,并对偏差产生的原因进行分析。研究了因雷诺数不同而导致的单塔缩尺效应,发现实尺和缩尺模型的计算结果在最大正压和平台区有差别。分析双塔之间的干扰作用,针对不同风向角可分为尾流直接作用、尾流和临近干扰共同作用、临近干扰作用三个区域。     

考虑内部构件影响的超大型冷却塔内压系数研究

对具有不同内部构件的超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟。在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,通过采用施加源项的方法,实现了对超大型冷却塔空塔及有十字挡板、填料及雨区阻力时的内表面平均风压分布的模拟;研究了冷却塔内部各主要构件对冷却塔内压的影响,得到了各工况下塔内外的绕流特性以及不同高度截面的内表面平均压力系数,并从机理上分析了内压曲线分布特性;研究结果与规范及试验结果吻合良好,指出了我国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,得到了内压的建议取值,为超大型冷却塔的设计提供参考依据     

等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析

首先概述了某超大型冷却塔群塔内外表面测压风洞试验结果,结合表面压力极值分布关系、多塔比例系数和风振系数描述了冷却塔等效风荷载作用特点。采用有限元计算方法,分析了冷却塔在重现期设计风速作用下内力及变形分布,验算了冷却塔筒体局部弹性稳定性。考虑冷却塔混凝土材料及几何非线性,初步探讨了冷却塔在静风荷载作用下的极限承载力。分析过程着重比较了内压效应、外表面极值荷载分布模式、端部效应、风剖面幂指数、多塔干扰效应对于冷却塔的影响。     

爆破拆除双曲线冷却塔倒塌过程动态仿真

双曲线冷却塔底部坐地面积大、重心低、结构稳定,爆破拆除具有一定的难度。本文利用动力分析有限元程序LS-DYNA,对爆破拆除双曲线冷却塔的倒塌过程进行了动态仿真。模拟计算的结果与真实倒塌过程非常接近,说明通过适当的选取计算参数和计算模型,可以对这种复杂结构的破坏倒塌过程进行模拟和分析,指导爆破方案设计及技术完善。     

爆破拆除双曲线冷却塔倒塌过程动态仿真

双曲线冷却塔底部坐地面积大、重心低、结构稳定,爆破拆除具有一定的难度。本文利用动力分析有限元程序LS-DYNA,对爆破拆除双曲线冷却塔的倒塌过程进行了动态仿真。模拟计算的结果与真实倒塌过程非常接近,说明通过适当的选取计算参数和计算模型,可以对这种复杂结构的破坏倒塌过程进行模拟和分析,指导爆破方案设计及技术完善。     

超大型冷却塔风荷载时程响应及动力抗风性能分析

采用风洞实验测试和人工生成的方法分别获取某电厂220 m高超大型冷却塔达文波特风压时程数据,并基于国内规范和特征值屈曲建立了结构模型,采用有限元计算方法分析了风荷载动力抗风特性,并对结果进行了对比分析。结果表明:人工生成风压时程结构响应大于风洞实验实测风压响应,人工生成风压时程作用下整体位移和所提取单元各层壳应力均有较大幅度的波动,总体应力状态远低于混凝土强度设计值;在动力风荷载作用下,结构变形最大位置位于迎风面塔体喉部,应力最大位置位于迎风面塔体下部;基于特征值屈曲建立的结构模型整体变形大于国内规范建立模型变形值。研究成果可为超大型冷却塔表面风荷载取值和相关技术规范修订提供参考。     

渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析

针对渡桥电厂冷却塔倒塌原因中的塔型因素,建立与之同壁厚、同高度、同筒底直径和相同人字柱的双曲线型冷却塔,分析两者动力特性的差别,比较自重、规范平均风荷载和风洞试验脉动风荷载作用下响应的差异。研究表明：渡桥冷却塔比双曲线型冷却塔的基频低30%;风荷载作用下渡桥冷却塔的径向位移比双曲线型冷却塔大很多,壳体扭曲程度较大;渡桥冷却塔迎风面的子午向薄膜力随塔高减小而迅速增大,最大拉力比双曲线型冷却塔大40%以上。渡桥冷却塔的塔型不如双曲线型合理,塔型不合理是构成渡桥电厂冷却塔倒塌的一个因素。     

大型冷却塔群塔组合（六塔双列）风致干扰准则综合评价

为量化风荷载条件冷却塔群塔干扰效应,形成了众多干扰效应定义准则,派生出数值结果差异性较大的荷载比例放大因子--群塔比例系数,认识和评判准则存在明显的差异。为了系统地研究冷却塔复杂群塔条件荷载干扰效应,本项研究以某超大型冷却塔为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,系统分析了六塔典型布置条件的群塔干扰效应,详细比较了不同塔矩条件矩阵、菱形布置方案的基于荷载、受力和设计配筋3个比较准则层面的群塔干扰效应。试验和分析过程涉及15个冷却塔表面同步测压试验工况（计240个来流角度）、20组三维荷载组合条件静动力分析和配筋计算,共计比较了25种群塔比例系数定义准则和数值结果。研究表明：群塔系数波动性在荷载层面最大,内力层面居中,配筋层面最小,不同准则条件群塔干扰系数的离散度最大可以达到49%;最不利风向角和群塔干扰效应大小均与群塔布置形式明显相关,受扰塔在矩形塔位组合的迎风向位置和菱形塔位组合的背风向位置更加不利,六塔组合条件冷却塔承受气动力荷载在菱形布置相比矩形布置更加不利。     

超大型冷却塔风致干扰效应试验研究

设计加工了1:200缩尺比某超大型冷却塔气弹模型和刚体测压模型,对不同塔距双塔组合、四类典型工程场地单塔风振响应进行气弹模型测振风洞试验,比较了双塔塔距、来流方向角和流场条件对于冷却塔塔筒风振系数的影响;结合东南沿海某工程场地冷却塔群塔及周边建筑物组合形式,采用刚体模型测压试验和气弹模型测振试验比较了复杂场地条件多塔比例系数和风振系数,表明工程场地中与冷却塔同等尺寸其他建筑作为施扰物的重要影响。上述试验结论与我国冷却塔荷载规范进行了详细对比,指出现行规范在适用新建超大型冷却塔工程需要改进的方面。     

侧风对超大型冷却塔内空气动力场的影响研究

对常见的七种导流叶片的侧风预防措施效果进行了CFD数值模拟,为导流片的选取提供依据。在计算流体动力学方法的基础上,忽略塔内的传热传质过程,引入风扇边界条件来模拟由于热蒸汽而引起的塔内抽力,采用多孔介质边界条件来模拟全塔的阻力及填料区通风率,并且在雨区和填料区使用UDF编写阻力源项程序来模拟空气流经塔内的阻力,研究了不同型号导流片及不同侧风对塔内的空气动力场分布特性的影响。系统地得到了各种型号导流片在不同侧风下的整流效果,定量的分析了侧风对塔内流场的影响,给出了侧风防御措施的选取原则,为冷却塔导流片的选取提供理论依据。     

基于钢塔架敏感性的连续倒塌分析与数值模拟

通过引入Pandey提出的敏感性指标,给出钢塔架关键杆件的识别方法。基于备用荷载路径设计法,对钢塔架结构在风荷载作用下的连续倒塌进行线弹性静力、非线性静力、线弹性动力、非线性动力等4种分析。结果表明：结构动力响应的大小取决于风荷载作用方向及关键杆件出现的位置;线弹性静力分析是偏于保守,非线性动力分析是更加精确的;建议采用非线性动力方法对钢塔架进行连续倒塌评估。通过失效杆件的等效反力卸载过程,模拟钢塔架连续倒塌的动力过程,提出了等效反力的初始持续时间t₀(考虑初始状态)和卸载时间t_p的计算方法。     

考虑材料非线性的RC双曲冷却塔风致破坏过程

为明确RC双曲冷却塔的极限静风荷载及其风致破坏过程,以一座大型冷却塔为例,采用ABAQUS中分层壳单元模拟塔筒的混凝土和双向钢筋网,在线性计算和非线性计算验证的基础上,采用弥撒开裂模型和双线性模型模拟混凝土和钢筋的非线性受力特征,分析了自重+风荷载(工况Ⅰ)和自重+冬温+风荷载(工况Ⅱ )两种工况下的静风破坏过程,并结...     

基于配筋率包络指标的冷却塔群塔风致干扰准则

风荷载条件冷却塔群塔干扰效应为结构设计关键控制因素。为考虑群塔条件绕流形态改变引起的复杂三维风压分布形式及数值大小变化对结构内力及配筋的影响,现行国内外水工行业规范采用单一的群塔比例系数放大无干扰圆柱扰流简化的二维风压分布。为评价其精度、合理性和经济性,该项研究以某超大型冷却塔六塔典型布置为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,选择干扰效应表现明显的代表性受扰塔作为研究对象,分析了塔筒不同高度处的平均风压分布规律并与单塔结果作对比;计算了其在16个风向角20种设计荷载组合下的塔筒子午向外侧、子午向内侧、环向外侧、环向内侧理论配筋量并将其包络线与单塔结果作对比,提出基于配筋包络的沿塔筒高度变化的分项群塔比例系数用于工程实践。研究表明：基于水工荷载规范建议的单一群塔系数难于涵盖干扰效应导致的复杂三维风压分布变化,推荐沿塔高变化的分项比例系数可以兼顾结构设计过程的便捷、经济和合理性。     

超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究

对某超大型冷却塔进行同步测压风洞试验获得内、外表面的脉动风压分布。在外压测试中,改变外表面粗糙度和调整风速等措施,较好地实现了冷却塔大缩尺比模型对表面绕流高雷诺数效应的模拟;采用热线风速仪对冷却塔尾流进行测试,验证了由冷却塔整体气动力时程频谱函数确定涡脱频率方法的合理性;分析了环向断面阻力系数沿塔高的分布规律,在考虑相关性的基础上建议了冷却塔环向外表面的风压极值分布拟合曲线。在内压测试中,比较多种填料层透风率对于内压影响的基础上,采用相关性分析方法确定了内压极值分布规律。