下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

不同导风装置对超大型冷却塔风压特性影响研究

为研究不同导风装置对超大型冷却塔风压分布特性的影响,通过风洞试验对比研究了三种有导风装置和无导风装置的大型冷却塔表面风压分布特性,其中包括平均风压、脉动风压、峰值因子以及极值风压等气动参数,提炼出不同导风装置对大型冷却塔整体和局部风压分布的影响规律,最后给出了不同导风装置下冷却塔极值风压的拟合公式。结果表明:三种导风装置均能有效减少塔筒中部负压极值区域的平均风压,同时也能有效减少塔筒迎风面中上部脉动风压的根方差,尤其以弧形导风板效果最好;不同导风装置均可有效减小塔筒中下部迎风面和负压极值区域的风压极值,尤其以弧形导风板效果最好;考虑不同导风装置下大型冷却塔迎风面、侧风面和背风面峰值因子取值分别为3.29、3.41和3.50。     

内环梁对风热耦合作用下冷却塔内压取值的影响研究

内环梁作为新型加环冷却塔主要内部构件且考虑到运行状态下周边散热器热源的影响,以国内在建世界最高220 m特大型双曲线间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法进行了风热耦合作用下冷却塔(共设置三道内环梁)内部流场的数值模拟。在此基础上,探讨了内环梁设置前后冷却塔内表面平均风压分布特性,提炼出了内环梁对冷却塔内压取值的影响规律;从机理上分析了塔内流动状态的差异,同时对比了内环梁对温度场特性的影响,并给出了风热耦合作用下加环冷却塔内压系数取值建议。研究表明:不考虑温度场时内环梁的设置使得内压系数绝对值增大7.3%,考虑温度场作用后内环梁的设置使得内压系数绝对值减小2.3%;为此建议风热耦合作用下加环冷却塔内压取值为-0.42,主要结论可为此类加环冷却塔内吸力取值提供参考。     

表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响

针对规范和风洞试验作用下冷却塔的风荷载和风致响应差异进行研究,对比中、英、德三国规范给出的冷却塔平均风压分布系数,以某冷却塔为例比较试验和规范的风荷载差异,建立"塔筒-支柱-环基-桩"的冷却塔一体化有限元模型,进行不同的表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响研究。研究表明:风洞试验得到的平均风压分布系数在顶部和底部存在三维流分布;规范和试验风荷载作用下冷却塔各响应的最值情况各有差异,其中对于人字柱和桩基轴力风洞试验的计算结果最大;中、英、德规范计算的局部稳定性系数非常接近,风洞试验结果总体上大于规范结果,其最小值比规范结果大37.8%。     

考虑风热耦合作用特大型冷却塔内吸力及流场作用机理研究

已有关于冷却塔内吸力取值的研究均忽略了周边散热器产生的热源影响,以国内在建世界最高220 m特大型间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法对风热耦合作用下的塔筒内部流场进行数值模拟。在此基础上,对比分析了考虑风热耦合效应特大型冷却塔内表面风荷载的三维效应,归纳总结了内压系数沿子午向和环向的分布规律,探讨了考虑温度场后塔内流场特性、压力系数、阻力系数及风阻的差异及产生原因,最后给出了风热耦合作用下特大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明:考虑风热耦合作用后冷却塔内压系数取值增大,同时阻力系数取值及进出风口压差增大。研究建议此类特大型冷却塔在真实风热耦合环境下内压系数取为-0.43。     

超大型冷却塔施工全过程风振响应及风振系数演化规律研究

现有冷却塔规范仅给出了成塔单一风振系数取值,完全忽略了施工过程中混凝土材料和结构性能的实时演化。以国内某在建210 m世界最高超大型冷却塔为对象,综合考虑工程进度与计算精度建立八个冷却塔施工全过程三维实体模型,基于大涡模拟(LES)技术获得了施工全过程冷却塔三维气动力时程,将成塔表面风压与规范及国内外现有实测曲线对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,采用完全瞬态时域方法对比分析了冷却塔施工全过程塔顶位移、子午向轴力及环向弯矩等典型响应风振实时变化特性,并基于三种典型目标和五种取值方法系统探讨了超大型冷却塔施工全过程风振系数沿高度和环向角度的演化规律,最终首次拟合给出了超大型冷却塔施工全过程随高度变化的风振系数计算公式。研究结论可为进一步理解施工全过程冷却塔风振响应的演化规律和风振系数差异化取值提供科学参考。     

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。     

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。     

复杂山地环境下四塔组合特大型冷却塔风致干扰效应研究

为系统研究复杂山地和周边建筑对超规范190 m高度限值特大型冷却塔四塔组合的风致干扰效应,以国内在建210 m高特大型冷却塔四塔组合为对象,基于计算流体动力学(CFD)方法对不同来流风向角下考虑复杂山地(高度接近冷却塔喉部标高且距离塔体很近)四塔组合冷却塔的周围流场进行了数值模拟,并将单个冷却塔的风压分布与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,对比分析了考虑复杂山地和周边建筑干扰时冷却塔表面最大负压、基于最大负压的干扰因子和平均风压分布特性,同时通过对最不利工况下冷却塔周边速度和涡量变化进行分析提炼出山地和塔群之间的风致干扰机理。研究表明复杂山地对冷却塔群来流湍流和风压分布模式的影响显著,同时受到冷却塔和建筑物之间"夹道效应"的影响,此时最不利工况下冷却塔基于最大负压的干扰因子最大可达1.43,远大于没有复杂地形下工程常见多塔干扰因子。主要研究结论可为此类考虑复杂山地环境的特大型冷却塔的群塔干扰因子取值提供参考。     

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。     

超大型冷却塔随机风振响应分析

冷却塔在随机风荷载激励作用下,动力响应具有小变形、弱非线性特点,固有频率在低频段密集分布,模态之间耦合效应较为明显.基于冷却塔刚体模型表面同步测压风洞试验结果,以非定常气动力作为输入荷载,考虑冷却塔多模态之间耦合效应,利用虚拟激励法和振型迭加法进行结构随机风振响应分析.定量地比较了结构风振响应中背景分量和共振分量的贡献,研究了参振模态数目、力谱交叉项和结构阻尼比等参数的作用效果,并与冷却塔气弹模型测振风洞试验结果进行了比较.     

基于风洞试验的双曲冷却塔静风整体稳定研究

针对双曲壳体冷却塔的静风整体稳定进行研究,介绍了现行规范条款的试验背景,探讨了其试验方法和结果,并对试验结果和计算结果进行比较分析。以现阶段代表性大型双曲壳体冷却塔为例,在动力特性分析的基础上,研究了其分支点和极值点整体失稳特征和内压取值及加劲环设置对整体稳定性的影响。研究发现:冷却塔塔筒的振型可以看作是上下弹性支撑水平圆环结构和左右弹性支撑子午向悬臂结构振型的耦合;其风压作用下的几何非线性特征并不明显,结构的失稳是突然发生的,极值点失稳形态既表现出静力计算的变形特征,又带有分支点屈曲模态的倾斜谐波;冷却塔整体稳定性随内压取值的增加而显著下降,而增设加劲环能够增加和协调塔筒刚度分布从而提高结构的稳定性,并且加劲环设置在失稳形态变形最大的位置效果最为显著。     

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。     

不同四塔组合形式对特大型冷却塔局部非高斯风压分布影响研究

非高斯脉动风压是引起冷却塔局部风荷载过大的重要因素之一,群塔干扰会显著改变冷却塔表面风压非高斯分布模式。四塔组合是火/核电厂冷却塔群最常见的组合形式之一,以在建世界最高冷却塔（220 m）为研究对象,针对工程中最典型的串列、矩形、菱形、L形和斜L形五种四塔方案进行刚体测压风洞试验。在此基础上,系统研究不同四塔组合形式冷却塔风压信号的幅域和时域特性,并针对考虑四塔干扰效应的冷却塔二维和三维峰值因子取值问题进行对比探讨,分析不同四塔组合方案对冷却塔风压非高斯特性的影响规律。研究表明,串列、矩形、菱形、L形和斜L形方案分别较单塔工况非高斯区域增加了11%、63%、56%、89%和30%,采用基于高斯分布假定的峰值因子法进行冷却塔群极值风压计算将引起较大的误差。串列和斜L形四塔方案峰值因子分布受塔群干扰影响较小,而矩形、菱形和L形方案峰值因子较单塔明显增大,部分区域峰值因子达到6.5以上。该文研究从机理上分析四塔组合冷却塔群局部风压过大的形成原因,也为进一步探讨不同四塔组合冷却塔群表面极值风压奠定了基础。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学(CFD)与显式动力分析算法(LS-DYNA)技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

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。