风雨共同作用超大型冷却塔气动力和受力性能

为定量评价雨荷载对超大型冷却塔气动力和风效应的影响,以国内某在建世界最高的220m超大型双曲线间接空冷塔为例,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)方法对冷却塔周围风场进行数值模拟,验证模拟结果的有效性后添加离散相模型(discrete phase model,简称DPM)进行雨强为50mm/h的暴雨模拟,系统分析了风雨共同作用下冷却塔表面流体绕流特性、风雨荷载特征值及平均压力系数的变化。在此基础上,采用有限元方法分析了风荷载和风雨荷载共同作用下超大型冷却塔风致稳定性和受力性能。研究表明:冷却塔表面所受总雨荷载占总风荷载的6.71%,部分区域内雨压系数可达0.07以上,与风压系数的比值最高可以达到26.98%;相比于风荷载,风雨荷载共同作用降低了冷却塔整体屈曲稳定和局部稳定性能,增大了塔筒、支柱和环基结构内力响应,屈曲位移最大增量达10%,0°子午向轴力最大增量达17.4%。该结论可为此类大型冷却塔结构抗风/雨荷载设计提供参考依据。     

超大型冷却塔等效静风荷载精细化计算及应用

在模态加速度法和荷载-响应相关法的基础上,推导出超大型冷却塔等效静力风荷载（简称ESWLs）的精细化计算方法,提出用于补偿背景和共振交叉项的一致耦合方法（consistent coupled method,简称CCM）来求解结构ESWLs。该方法采用统一理论进行背景、共振和交叉项3个分量的求解,能完全考虑各共振模态之间、共振和背景模态之间的耦合效应,并赋予背景与共振交叉项ESWLs分量以明确的物理意义。以内陆某核电超大型冷却塔（塔高215m）为例,采用CCM方法进行ESWLs计算,探讨了ESWLs平均、背景、共振和交叉项分量的分布特征,并结合规范条款对比分析了超大型冷却塔风振系数的数值和分布特征,为超大型冷却塔结构设计和抗风安全性提供参考。     

大型冷却塔结构风致稳定和风振效应研究进展

伴随我国经济快速发展,火/核电厂大型冷却塔建设保持快速增长势头,呈现超高、超大的发展趋势.风荷载作用下的冷却塔塔筒壳体风致稳定和结构风振效应成为结构设计建造的关键控制因素.笔者从理论分析、试验模拟、数值计算、现场实测4个方面论述了冷却塔风致稳定和风振效应系列研究进展,阐明了基于环向均匀加载的冷却塔稳定验算公式难于适用复...     

敞开型大跨度屋盖结构风振响应的风向效应

基于刚性模型风洞试验,在不同风向角下对巴哈马国家体育场结构的表面风压进行了测量,根据模型测压结果,对模型的表面风压分布特点与机理进行了分析.在计算出屋盖平均风荷载作用下响应的同时,根据随机振动理论并结合结构的整体有限元模型,编制程序计算了屋盖结构的风振响应.计算与分析表明,对于敞开型大跨度屋盖,在不同的风向条件下由于建筑物的干扰效应不同,引起气流绕屋盖结构所形成的风场有着很大的不同,风向不仅影响结构在平均风荷载作用下的响应,也影响结构在脉动风荷载作用下的风振响应,因此对此类屋盖结构进行抗风验算与评估时应充分考虑风向的影响.     

典型窄基输电塔风致响应气弹模型风洞试验

首先,采用离散刚度法,设计制作了典型窄基输电塔气动弹性模型;然后,通过大气边界层风洞试验,对窄基输电塔不同高度及风向下的位移、加速度响应特性进行了测试分析;最后,基于风洞试验结果计算了窄基输电塔风振系数并与规范结果进行了比较。结果表明,窄基输电塔位移均值响应主要为顺风向;顺、横风向脉动位移、加速度响应值都较大,随风向变化不明显,呈上下波动趋势;高度变化对脉动位移和加速度的响应影响略有不同。此外,根据中国荷载规范给出的输电塔横担处的风振系数值大于本次试验结果。     

超大口径天线结构的风振响应

为明确大型天线结构风振响应特性,以待建的110m全可动天线为研究平台,对其展开各迎风姿态下的风荷载特性分析。根据刚性模型风洞试验结果,探讨了反射面平均风压分布规律及最不利风向角。在此基础上,采用基于随机振动理论的非线性时程分析法进一步对结构的风致动力响应展开研究,总结了风振响应特性。结果表明,该结构自振频率分布密集,结构较柔,其风振响应是一个窄带过程,振动能量随着俯仰角的增大而逐渐提高,且高阶振型逐渐对风致振动有所贡献。该成果可为天线结构抗风设计提供较为全面的荷载取值参考。     

工业管架风荷载遮挡效应风洞试验

工业管架风荷载的遮挡效应显著,现行规范风荷载取值安全性、合理性急需进行评估。以石油化工厂区常见的管架、裂解炉为对象,采用测力(high frequency force balance,简称HFFB)风洞试验和测压(high frequency pressure integration,简称HFPI)风洞试验,研究了工业管架风荷载的遮挡效应,并通过与现行规范对比,给出了规范的适用范围。通过测压风洞试验,给出了外围管架遮挡下内部封闭设备的遮挡系数,利用该系数能够扩大现行规范中整体方法的适用范围。分析结果表明:现行规范提供的工业管架风荷载确定方法是偏于安全的,对于管架及支撑管道的管架,整体方法得到的风荷载与测力风洞试验吻合较好;由于未考虑管架对内部封闭设备的遮挡效应,按现行规范得到的裂解炉风荷载明显偏大。     

梯形扰流筋对风电塔筒疲劳特性的影响

以某MW级风电塔筒为主要研究对象,应用仿真方法研究在塔筒表面增设梯形扰流筋对其疲劳强度的影响。为了降低涡激频率和提高塔筒静强度,应用流固耦合分析确定扰流筋的最优化筋型。根据Davenport功率谱模拟风电塔筒脉动风速时程和风荷载,得到加筋后塔筒上最大疲劳应力的时程曲线,并对比分析了增设扰流筋前后塔筒疲劳寿命的变化。最后应用雨流计数法得到加筋塔筒的变幅荷载谱,并基于材料特性和疲劳理论计算加筋塔筒的疲劳寿命。结果表明：在风电塔筒外表面加扰流筋虽然能有效削弱塔筒涡激振动的频率,但同时会削弱塔筒的疲劳强度,因此需要在确保加筋后塔筒疲劳寿命仍满足设计要求的前提下合理选择筋型。     

声发射技术在风电塔筒动态监测中的应用研究

针对裂纹对风电塔筒服役过程中的危害问题,采用声发射(AE)技术提取塔筒裂纹特征信号。通过塔筒的AE信号衰减试验及塔筒原材料(Q345E钢)的三点弯曲试验,采用小波分析法提取不同类型AE信号在相同频率段内所占的能量比例系数。结果表明:AE信号在焊缝处衰减较母材明显,在塔筒中传递距离最远可达6 m;Q345E钢弯曲损伤破坏程度与AE信号响应特性之间具有对应关系;不同类型AE信号在相同频率段内所占的能量比例系数差异明显,由此可根据其AE技术定性判断风电塔筒服役的安全程度。     

复合屋面板钢构体系风振特性试验

针对轻型屋面结构的抗风敏感性问题,采用风洞测振试验研究复合屋面板钢构体系的风振特性。在低湍流度均匀流场中,对某复合屋面板钢构体系在两种典型风攻角、4种典型风偏角和9个不同风速下的屋面板中间两个测点的风致位移响应进行测试,对动态位移时程、位移统计结果、位移响应谱和位移风振系数进行了分析。研究结果表明,在低湍流度均匀流场中,屋面板钢构体系的平均位移和均方根位移随风速增加而增大,风攻角和风偏角对屋面风振响应影响很大,最不利风向角下的位移风振系数为1.1～1.4。特征紊流是导致不同风攻角及风偏角屋面板位移均方根响应差异的主要因素,在设计中应重点关注屋面周边局部区域。     

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5 MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明：为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。     

基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立了考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度、综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到了各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力,并求得齿轮的使用系数、齿轮和轴承的载荷系数。在此基础上,建立了基于动力学的风电齿轮传动系统可靠性评估模型,并求得了各零件及传动系统的可靠度,较全面地评价了随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统的可靠性,为风力发电机齿轮传动系统可靠性设计和动态优化奠定了基础。     

风力机气动力不对称故障建模与仿真

风力机气动力不对称故障对风力发电机组的安全稳定运行有很大的影响,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高,可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行了实验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。笔者研究了气动力不对称故障下的风力机的塔架振动和气动力的耦合规律,阐述了造成电功率波动的机理,指出电功率的波动来源于塔架的振动,建立了整个风力机组故障状态下的模型,仿真得到了故障条件下的塔架振动信号与电功率信号,对仿真得到的振动信号与电信号进行信号处理。结果显示其中均出现了叶轮旋转的一倍频分量,与德国ISET等实验研究的结果相符,对开发新的故障诊断算法具有重要意义。     

兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析

风力发电机组在自然条件下运行时,作用在叶片上的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷等交变载荷将使叶片和塔架产生耦合振动。为了得到其在额定工况下各阶模态振型,判断系统运行的稳定性,以沈阳工业大学SUT-1000风力发电机组为例,对其进行动力学分析。将叶片和塔架进行离散化处理,在叶片上模拟施加气动载荷,应用MSC ADAMS进行仿真分析,得到了系统的各阶模态。分析结果对风力发电机组的总体优化设计提供了理论依据。     

暴风雪下塔设备可靠性分析

利用数理统计方法,分析某地区的月平均风速极大值样本,得到其分布参数,进而确定基本风压的分布参数。根据塔设备实际载荷情况,修正了暴风雪情况下工作载荷的力学模型。在塔设备可靠性分析过程的风力计算中引入动态特性系数,更合理地考虑了暴风雪情况下风、雪载荷的不确定性。得到的应力结果符合极值分布,同时也体现了塔设备在暴风雪下风载荷产生的应力的随机性。综合分析风载荷、地震载荷和偏心载荷所产生轴向应力后,建立了可靠性分析的计算方法并进行了实例分析,其结果可为制订塔设备可靠性设计标准作为参考。     

开口状态及干扰对柱面结构风荷载的影响

为满足储煤量、工艺及环保的要求,柱面煤棚结构常常成对出现且在端部和两侧采用不同形式的开口,煤棚间的相互干扰和开口状态对风荷载的影响效应目前尚不明确。针对此问题,通过刚性模型测压试验,研究了端部、两侧开口状态以及煤棚间距对其结构表面风荷载的影响,通过对比结构整体力系数、体型系数分布及脉动风压系数,给出了风向角、开口状态及间距对风荷载的影响规律,分析了其产生机理,并给出了该类结构的风荷载建议。结果表明:半封闭的端部开口方式能有效减小结构整体风荷载,且脉动风压值最小;两侧30%开孔率的开口形式,结构表面的风荷载分布更均匀,减小结构的脉动风压;煤棚之间的干扰对平均风荷载主要为遮挡效应,对脉动风荷载影响不显著。     

地震及多风况下风力机塔架动力响应

为分析不同风速的湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应,以美国可再生能源实验室(NREL) 5 MW风力机为研究对象,基于考虑土-构耦合效应的Wolf理论,利用动态入流理论及Prandtl理论修正的叶素动量理论计算气动力,基于FAST软件预留数据接口开发了地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震联合作用下的风力机仿真模型;计算了5组风速与30种强度地震耦合共150种工况下的风力机塔架动力学响应。结果显示：额定风速下,塔顶位移响应受地震激励影响明显;低风速下地震作用对塔架加速度响应影响较大,高风速的湍流风会加剧塔架剪切力和弯矩响应;湍流风与地震联合作用时,塔顶位移及剪切力和塔基剪切力及弯矩的临界地面加速度峰值随风速的增大先增大再减小,塔顶加速度的临界地面加速度峰值在高风速下随风速增大而增大。