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。     

冷却塔支承结构有缺断时的整体应力分析

本文利用准循环矩阵方法计算了弹性地基上自然通风冷却塔在下部支承结构（支柱与环梁）有缺断时，下部结构的内力，利用脉冲函数模拟重新分布的集中力，对壳体进行了二次计算，在内力协调条件下，完成了结构整体的应力分析．体现这一方案的有限元程序（ＷＢＳ）对若干实例给出了合理的计算结果．     

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。     

基于反应谱方法的双曲冷却塔地震响应特征分析

为明确冷却塔结构的振型特征、不同振型在地震响应中贡献及地震内力环向分布特点,便于冷却塔结构设计,以某大型双曲冷却塔为例,在动力特性分析基础上采用反应谱方法进行地震响应计算,并与其它荷载作用下内力进行对比。研究表明,冷却塔振型可据其形状、方向分为环向与子午向谐波耦合振型、侧向弯曲振型、竖向伸缩振型及竖向扭转振型4类。第1类振型为冷却塔主振型;水平、竖向地震响应贡献分别来自第2、3类振型,第1、4类振型对地震作用均无贡献。侧弯振型的截面变形特征决定水平地震作用下塔筒内力在环向呈正弦或余弦分布。无论水平或竖向地震作用,塔筒中主要产生双向轴力,在下支柱主要产生轴力及弯矩,且水平地震作用产生的内力远大于竖向地震。较其它荷载作用效应,地震作用对塔筒的关键效应为塔筒中下区段内子午向拉力及塔筒顶端0.2HS范围内环向拉力,且地震效应对下支柱影响明显大于对塔筒影响。     

爆炸荷载下RC梁系的解析分析

对梁系结构在爆炸荷载作用下的动力计算问题进行了研究,由于支承构件的变形性,梁系结构可归结为第二类的动支座问题。建立了梁系的动支座计算模型,推导并给出了梁系结构分别在弹性阶段和塑性阶段的动力计算公式,分析了影响梁系振动的主要因素和影响规律。研究表明:影响梁系结构振动的主要因素有两个,下部支承结构的基频ω0和无量纲参数ωθ,基频ω0和参数ωθ越大,上部构件的动力系数就越大。当ω0≥5ω时,下部构件对梁系振动的影响可忽略,认为上部构件是刚性支承。     

考虑土-结构动力相互作用的冷却塔地震响应分析

大型高耸钢筋混凝土冷却塔属于典型的风敏感型结构,近年来在地震、飞机撞击、爆破等极端外部作用下动力响应研究也得到了工程界的广泛关注。土-结构动力相互作用效应(Soil Structure Interaction,SSI)对于大坝、桥梁等类型工程结构地震响应的影响研究成果较为丰富,而对冷却塔结构体系的影响程度方面很少涉及。依据弹性波动理论结合有限单元法,建立和推导了考虑土-结构动力相互作用的三维黏弹性人工边界模型和公式,并通过半空间自由场模型验证该地震动输入方法的准确性。以国内实际工程项目——某火电厂大型冷却塔为研究背景,以通用有限元程序ANSYS为平台,分别建立了冷却塔刚性地基模型、无质量地基模型和黏弹性人工边界模型,开展模态分析及弹性时程分析,研究不同计算模型相应的动力特性及内力变化,探讨了土-结构动力相互作用的影响规律。研究结果表明:考虑刚性地基,冷却塔结构体系自振频率分布十分密集,绝大多数振型为环向谐波和子午向谐波组合的局部振型;考虑弹性地基后,结构的自振频率略有降低,整体振型较早出现。通过时程分析可知,采用黏弹性人工边界模型,考虑无限地基辐射阻尼效应,与刚性地基模型相比,塔筒的绝对加速度最大值降低43.4%,塔筒沿子午向弯矩轴力幅值降低约50%,而环向内力却均显著提高,X支柱内力幅值降低约20%~50%.因此,在进行冷却塔地震响应分析时,土-结构动力相互作用的影响不可忽视。     

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-倒塌"全过程演化机理,并提出了强风作用下冷却塔的结构失效准则。研究发现:强风作用下超大型冷却塔结构强健性最薄弱部位为迎风面塔筒喉部区域,与上风向夹角为-70°和70°子午向出现"褶皱变形"并导致塔顶局部结构失效破坏,进而引起塔筒整体结构倾覆倒塌;塔筒应变能密度呈现指数增长趋势,以喉部相对水平位移与喉部直径百分比S1%、指数应变能密度和值破坏系数K≥0.3作为结构失效判断准则可较好评价强健性指标。     

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。     

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。     

基于焓差法的燃机电厂机械通风逆流湿式冷却塔变工况特性研究

结合机械通风逆流湿式冷却塔自身特点,基于焓差理论建立了冷却塔热力性能变工况计算模型,研究分析了大气压力、干球温度、湿球温度、冷却水量、凝汽器热负荷、冷却面积、通风阻力以及风机风量等参数对冷却塔进、出塔水温的影响规律。结果表明：大气压力和干球温度对出塔水温的影响可以忽略不计,湿球温度是影响出塔水温的主要环境因素;冷却水量、凝汽器热负荷、失效冷却面积、通风阻力均与出塔水温成正相关关系,而风机风量增大,出塔水温会降低。研究结果将有助于准确预测变工况下冷却塔出塔水温的变化趋势,为冷却塔变工况运行调整提供理论依据。     

切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究

切口角度大小对冷却塔爆破拆除倒塌效果具有极其重要的影响,为了研究切口角度对冷却塔的拆除爆破影响,利用Ansys/Ls-dyna建立共节点分离式模型,对冷却塔的倒塌过程进行了简要分析。改变切口角度,对比不同切口角度下的模拟结果,结果表明:由于冷却塔结构的特殊性,其产生的下坐振动包括切口闭合产生的振动和环梁触地振动,且下坐振动大于塌落振动;切口角度为200°时,冷却塔倾倒较快,产生的塌落振动较大;切口角度为240°时,倒塌过程中的倒塌方向偏移较大,产生的下坐振动较大。     

2座45 m高冷却塔爆破拆除失败原因分析及排险处理

某发电厂2座45 m高冷却塔爆破拆除施工中,冷却塔未按照爆破设计倒塌形成危险倾斜体。通过爆后现场勘查认为人字柱与圈梁拉结筋过少过细、开设减荷槽面积过小、爆破切口长度过大、人字柱本身强度较低,在爆破瞬间其支撑强度不够,造成冷却塔整体下座,未能按照设计倾倒。事后采用机械拆除成功排除了冷却塔危险倾斜体,并分析了此次冷却塔爆破拆除失败原因。     

Influence of Thermal Flow Field of Cooling Tower on Recirculation Ratio of a Direct Air-Cooled System for a Power Plant

In order to get thermal flow field of direct air-cooled system, the hot water was supplied to the direct air-cooled condenser. The PIV experiments were carried out to get thermal flow field of a direct air-cooled system under different conditions in low velocity wind tunnel, at the same time, the recirculation ratio at cooling tower was measured, so the relationship between flow field characteristic and recirculation ratio of cooling tower can be discussed, from the results we can see that: the flow field configuration fore-and-aft cooling tower has great effects on average recirculation ratio under cooling tower. The eddy formed fore-and-aft cooling tower is a key reason that recirculation produces. The eddy intensity relates to velocity magnitude and direction angle, the configuration of eddy lies on the geometry size of cooling tower. So changing the flow field configuration fore-and-aft cooling tower reasonably can decrease recirculation ratio under cooling tower, and heat dispel effect of ACC can also be improved.     

盘管复合填料型闭式冷却塔性能分析

本文介绍了闭式冷却塔的原理与分类,并归纳总结出简要数学模型。提供了一种测试方法,并用该方法测试分析填料冷却性能以及填料对闭式冷却塔性能的影响,用最小二乘法得到填料特性数N′=0.8λ0.9,并绘制出相关曲线,得出在闭式冷却塔中增加填料可以强化冷却性能。针对放置在不同位置的填料对闭式冷却塔性能影响进行了理论分析,得出闭式冷却塔中填料放置在盘管的上方比放置在盘管下方冷却性能更好。     

闭式冷却塔性能优化

本文通过对某一公司的闭式冷却塔为例,陈述影响冷却塔性能因素,并进一步着重阐述了冷却塔优化模型的一般步骤,运用数值计算方法分析在各种工况下冷却塔所能达到的最佳性能,并找到最优化设计参数。     

Cost optimization of cooling tower geometry

The geometrical dimensions of a counterflow natural draft wet-cooling tower are optimized to obtain the minimum combined operational and capital cost compounded over the economic life of the cooling tower. Wet-cooling tower performance evaluation software is employed in conjunction with an optimization algorithm to obtain the optimum cooling tower geometry. It is shown that the inlet height of the cooling tower, which primarily determines the operational cost, is the most critical parameter influencing the total operational and capital cost of a cooling tower. The effects of the diameter of the cooling tower and the volume of the concrete have a less pronounced effect on the total operational and capital cost of a cooling tower. The results of the mathematical optimization algorithm are verified by a manual investigation of the solution domain.     

61m高双曲线冷却塔爆破拆除失败原因分析

针对爆破拆除双曲线冷却塔易出现后坐或爆后立而不倒等险情,结合61m高双曲线冷却塔爆破拆除失败的原因,从方案设计以及现场施工等方面进行分析,指出冷却塔的支撑部位属于点支撑,其承压能力有限,设计时不但要充分考虑爆破切口的展长满足冷却塔失稳要求,还要保证爆破切口有合理的高度,使其在失稳状态下重心能够发生明显偏移,形成足够的倾覆力矩;同时强调在施工中,因切口部位预开一定数量的定向窗能够破坏塔体的刚度,对于塔体爆后顺利倒塌起到非常重要作用。精心设计,精细化施工是确保冷却塔拆除爆破成功的关键,分析结果可为今后类似爆破工程提供参考依据。     

复杂环境下2座冷却塔控制爆破拆除

采用定向倾倒控制爆破技术成功地拆除了复杂环境下2座高度分别为75 m、底部直径为62.63 m的冷却塔.针对冷却塔结构的特点,周围环境及安全要求,在冷却塔倾倒方向的正面塔体上开了9个减震窗口,仅对冷却塔人字支柱进行爆破,实现冷却塔壁体轻着落,并采取了封闭式防护和开挖减振沟及铺设缓冲垫层等安全防护措施.结合冷却塔爆破自身...     

略阳电厂84.8m双曲线冷却塔定向爆破拆除

针对略阳电厂双曲线冷却塔高、大、壁薄的结构特点以及爆破周围环境安全要求,通过选定合适的切口形式、切口大小、切口角度以及选择合理的爆破孔网参数,对冷却塔实施了定向爆破.冷却塔起爆后在空中经过短暂的扭曲变形,最后按预计方向倒塌在安全范围内,破碎效果良好,爆堆高度只有4-5 m,达到了预期的爆破效果.爆破实践表明,高大、薄壁双曲线型冷却塔在定向爆破过程中要发生扭曲变形,扭曲是否顺利,直接影响到冷却塔的倒塌方向和破碎效果,值得在类似工程爆破中引起注意.