超大型冷卻塔風(fēng)壓級配流數(shù)值模擬

超大型冷卻塔風(fēng)壓級配流數(shù)值模擬

作為一種高度走廊的空間結(jié)構(gòu)，大型塔架的安全性一直受到設(shè)計領(lǐng)域的高度重視[1.4]。本文試驗中的某電廠超大型冷卻塔淋水面積13000m2,塔高177.146m,塔頂外半徑41.130m,喉部標(biāo)高141.133m,喉部中面半徑39.108m,進風(fēng)口中面半徑67.347m,通風(fēng)筒殼體采用分段等厚,最小厚度0.271m,最大厚度1.400m。冷卻塔由48對φ1.300m人字柱與基礎(chǔ)連接。該塔塔高已突破了現(xiàn)行《火力發(fā)電廠水工設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(NDGJ5-88)“冷卻塔高度≤150m”的限制,也超過了《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》(GB/T50102-2003)塔高165m的限制,是目前國內(nèi)最高、最大的冷卻塔,在結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工與運營維護方面存在一定的技術(shù)難度。對于雙曲線圓截面冷卻塔大縮尺比模型(1∶200-1∶500)風(fēng)洞試驗,外表面繞流形態(tài)受雷諾數(shù)效應(yīng)影響非常突出,通常采用改變表面粗糙度等方法模擬高雷諾數(shù)效應(yīng),模擬標(biāo)準(zhǔn)為原型冷卻塔現(xiàn)場實測和風(fēng)洞試驗修正組合的外表面環(huán)向平均風(fēng)壓分布[8―9]。在實際工程應(yīng)用中,除外表面風(fēng)壓均值分布之外,內(nèi)表面壓力分布以及外表面風(fēng)壓極值分布缺少相關(guān)的研究貯備,風(fēng)荷載規(guī)范也沒有做出明確的規(guī)定,事實上在冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中更關(guān)心內(nèi)表面、外表面極值風(fēng)荷載的分布。本文在冷卻塔表面多點脈動風(fēng)荷載相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,以風(fēng)洞試驗為手段對冷卻塔內(nèi)外壓的極值分布做了較為深入的研究,與規(guī)范采用結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓乘風(fēng)振系數(shù)的處理方法進行了對比,建議了較為合理的冷卻塔外表面極值風(fēng)壓分布擬合曲線和內(nèi)壓取值。1試驗總結(jié)1.1大氣邊界層模擬風(fēng)場的測定本試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞中進行。該風(fēng)洞為閉口回流式矩形截面風(fēng)洞,試驗段尺寸寬15m、高2m、長14m。按1∶200縮尺比制作冷卻塔測外壓模型和測內(nèi)壓模型(如圖1),冷卻塔及周邊其它建筑模型阻塞度小于7%。大氣邊界層模擬風(fēng)場的調(diào)試和測定是用丹麥DANTEC公司的Streamline熱線風(fēng)速儀,冷卻塔內(nèi)外表面平均壓力與脈動壓力測量采用美國Scanivalue掃描公司的DSM3000電子壓力掃描閥。信號采樣頻率為312.5Hz,每個測點采樣樣本總長度為6000個數(shù)據(jù)。冷卻塔測外壓模型沿其環(huán)向與子午向布置36×12個外表面壓力測點。測內(nèi)壓模型沿其環(huán)向與子午向布置36×6個內(nèi)表面壓力測點。內(nèi)外壓測點布置見圖2。本試驗中的工程場地為A類地貌,風(fēng)剖面指數(shù)α=0.12,地表紊流度15%,冷卻塔頂部紊流度為10%。1.2結(jié)構(gòu)整體阻力和升力系數(shù)積分式冷卻塔表面測點i處的壓力系數(shù)CPi表示為:其中:Pi為作用在測點i處的壓力;P0和P∞分別是試驗時參考高度處的總壓和靜壓。由冷卻塔外表面測點得到的整體阻力(順風(fēng)向)系數(shù)和升力(橫風(fēng)向)系數(shù)積分式定義為:式中:CD、CL分別為結(jié)構(gòu)整體阻力和升力系數(shù);Ai為第i測點壓力覆蓋面積;θi為第i測點壓力與風(fēng)軸方向夾角;AT為整體結(jié)構(gòu)向風(fēng)軸方向投影面積。測點之間、測點與整體氣動力時程之間相關(guān)系數(shù)定義為:式中,Ex、Ey和σx、σy分別是氣動力隨機序列x(t)、y(t)的期望和方差。2魚雷模型效果模擬2.1表面粗糙度的模擬本文超大型冷卻塔原型結(jié)構(gòu)在設(shè)計風(fēng)速下雷諾數(shù)范圍為1.5×108-3.5×108。由于物理風(fēng)洞本身的局限性,難以簡單通過提高試驗風(fēng)速或增大結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸再現(xiàn)這種高雷諾數(shù)下表面繞流形態(tài)。類圓柱結(jié)構(gòu)繞流特性不僅與雷諾數(shù)有關(guān),而且還與表面粗糙度等因素有密切的關(guān)系。實踐證明,可以通過適當(dāng)改變模型表面粗糙度來近似模擬高雷諾數(shù)時的繞流特性。比較了多種改變表面粗糙度方案,最后確定采用在表面刻線(沿圓周均勻分布深0.1mm計36條豎向通長刻線)+粗糙紙帶(沿圓周均勻分布寬12mm厚0.1mm計36條豎向通長粗糙紙帶)和調(diào)整試驗風(fēng)速(8m/s)手段來模擬高雷諾數(shù)效應(yīng)。模擬標(biāo)準(zhǔn)為冷卻塔表面壓力分布、整體阻力系數(shù)和St數(shù)取值等。雙曲線冷卻塔平均風(fēng)壓分布系數(shù),選用水工規(guī)范推薦的西安熱工所風(fēng)壓分布八項式擬合曲線,模擬過程著重于最大壓力系數(shù)、最小壓力系數(shù)、尾流壓力系數(shù)、零壓力系數(shù)角度、最小壓力系數(shù)角度和分離角度。由圖3比較可知表面刻線+粗糙紙帶在8m/s試驗風(fēng)速下冷卻塔中間6個斷面平均表面壓力分布與規(guī)范值吻合較好,中段截面阻力系數(shù)CD=0.436(西熱CD=0.437)。2.2表面風(fēng)壓與升力時程的頻譜關(guān)系斯脫羅哈數(shù)是結(jié)構(gòu)幾何形狀和雷諾數(shù)的函數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)Re>3.5×106時,類圓柱結(jié)構(gòu)尾流渦脫中紊流成份較為突出,但仍會出現(xiàn)有規(guī)律的旋渦脫落,這時St數(shù)稍大于0.2。St數(shù)與結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)密切相關(guān),也是本試驗需要模擬的雷諾數(shù)效應(yīng)之一。由于尾流脈動成份的紊亂性,渦脫頻率直接實測較為困難。風(fēng)速尾流有規(guī)律的旋渦脫落,使結(jié)構(gòu)物表面的壓力周期性變化,引起橫向風(fēng)荷載表現(xiàn)為周期性作用,這個周期應(yīng)該與尾流的旋渦脫落周期一致,升力(橫風(fēng)向力)時程頻譜與尾流時程頻譜的卓越頻率應(yīng)該相近,所以本文嘗試通過對整體升力時程的頻譜函數(shù)間接確定渦脫卓越頻率。為了驗證這種方法的有效性,采用熱線風(fēng)速儀對冷卻塔尾流進行了多點實測。把熱線風(fēng)速儀置于冷卻塔背風(fēng)側(cè),改變風(fēng)速儀探頭的高度以及與冷卻塔的距離,在8m/s試驗風(fēng)速條件下對冷卻塔尾流區(qū)域空間多個點位進行了測試。結(jié)果表明,探頭位置在距離地面約2/3塔高處、距離模型背風(fēng)側(cè)表面約0.8倍喉部中面半徑處測得的尾流渦脫頻率最為明顯,見圖4(a)。對冷卻塔表面壓力系數(shù)時程積分,得到整體升力時程,圖4(b)為升力系數(shù)時程的頻譜函數(shù)。尾流渦脫頻率(2.411Hz)與升力系數(shù)時程的頻譜變化得到的頻率(2.594Hz)比較接近,相對偏差為7.5%。用尾流渦脫頻率和升力系數(shù)時程的頻譜變換計算的St數(shù)分別為0.235和0.253(特征尺寸取冷卻塔模型喉部直徑0.78m,風(fēng)速為8m/s),均大于0.2,進一步驗證了冷卻塔St數(shù)完全符合本試驗?zāi)M的目標(biāo)值。3單塔外表面壓力3.1塔底和頂板斷面的阻力冷卻塔模型子午向12個斷面阻力系數(shù)(迎風(fēng)面積取各斷面向風(fēng)軸方向投影面積)均值沿高度分布呈端部大中間小的特征(見圖5),冷卻塔底部和頂部斷面的阻力系數(shù)均明顯大于中部斷面的阻力系數(shù),塔底和塔頂斷面的阻力系數(shù)均值是0.467和0.598,分別超出中部斷面最小阻力系數(shù)均值(0.326)43%和83%。該現(xiàn)象主要源于冷卻塔表面繞流端部效應(yīng)的影響,塔底和塔頂斷面的受力情況比較復(fù)雜,局部壓力系數(shù)遠大于規(guī)范設(shè)計值,考慮到冷卻塔頂部筒壁結(jié)構(gòu)較薄,在設(shè)計中有必要注意冷卻塔端部局部穩(wěn)定性。圖5中各斷面阻力系數(shù)時程與冷卻塔整體結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)時程的相關(guān)系數(shù)都在0.55左右,介于0.48-0.60之間。由于冷卻塔端部邊界效應(yīng)的影響,雷諾數(shù)效應(yīng)模擬和隨后的外表面壓力體型系數(shù)極值分析選取有代表性的中部6個斷面(見圖2外斷面4-外斷面9)為研究對象。3.2外表面壓力的極值分布3.2.1測點體型系數(shù)極值在驗算冷卻塔風(fēng)荷載作用下的局部強度和局部穩(wěn)定性時,需采用體型系數(shù)極值結(jié)果,規(guī)范中只給出了體型系數(shù)均值分布,并規(guī)定在A類紊流場中用風(fēng)振系數(shù)1.6來考慮陣風(fēng)效應(yīng)。為了與規(guī)范規(guī)定的體型系數(shù)極值進行比較,對各測點體型系數(shù)的實測極值及其分布規(guī)律進行分析。體型系數(shù)極值是具有某一保證率下的最大值。在計算某一測點體型系數(shù)極值時,若不考慮該點與整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性,即假定該點的受力時程與整體結(jié)構(gòu)受力時程是同步的,這樣得到的結(jié)果不符合實際情況,會得到偏保守的結(jié)果。而實際上測點受力時程與整體結(jié)構(gòu)受力時程有可能不同步,本文為了得到較符合實際的體型系數(shù)極值,所以在計算公式中引入了相關(guān)系數(shù)。定義體型系數(shù)極值為:式中:μm和σμ為體型系數(shù)均值和根方差;g為峰值因子(保證系數(shù));ρ為相關(guān)系數(shù)。用ρD和ρL分別表示各測點體型系數(shù)時程與結(jié)構(gòu)阻力和升力時程的相關(guān)系數(shù),則與結(jié)構(gòu)阻力和升力時程相關(guān)的壓力系數(shù)極值分別為:首先只考慮各測點體型系數(shù)時程與所在斷面的阻力和升力時程的相關(guān)性,假定各斷面與冷卻塔整體結(jié)構(gòu)的受力時程完全相關(guān)。在A類紊流場中,冷卻塔中部6個斷面各測點的體型系數(shù)均值、根方差、峰值因子以及與斷面的阻力和升力時程的相關(guān)系數(shù)見圖6。由式(6)和式(7)得出與阻力和升力時程相關(guān)的6個斷面極值分布基本上一致(見圖7),對6個斷面的極值進行平均,并對兩種極值進行比較(如圖8),極值平均結(jié)果相近。考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性,取這兩種極值的包絡(luò)值,與規(guī)范極值進行比較(如圖9),可以看出,僅考慮測點與所在斷面的阻力和升力的相關(guān)性時,體型系數(shù)極值分布與規(guī)范結(jié)果略有差異,最小值對應(yīng)角度相差10°,且包絡(luò)極值尾流區(qū)體型系數(shù)絕對值大于西熱極值。3.2.2包絡(luò)體型系數(shù)極值分布考慮各測點體型系數(shù)與整體結(jié)構(gòu)阻力、升力時程的相關(guān)性。極值計算分析思路同上。圖10和表1比較了包絡(luò)極值與規(guī)范極值的分布。在考慮各測點體型系數(shù)與結(jié)構(gòu)受力時程的相關(guān)性時,體型系數(shù)極值分布與規(guī)范值有一定的差異,包絡(luò)體型系數(shù)極值分布的最大值(1.298)和最小值(-2.307)分別是規(guī)范極值分布的最大值(1.668)和最小值(-2.603)的78%和87%,最大負壓對應(yīng)角度相差10°,兩種極值分布的尾流壓力值及分離角度相差不大。用最小二乘法原理,以富氏級數(shù)展開式:對考慮與結(jié)構(gòu)相關(guān)性時的體形系數(shù)極值分布曲線進行擬合。當(dāng)m≥7時,能取得良好的擬合效果,現(xiàn)給出m=7時,式中參數(shù)ka的取值:a0=-0.7789,a1=0.3126,a2=1.0159,a3=0.7366,a4=0.0439,a5=-0.1429,a6=0.0742,a7=0.0856。4單塔表面壓力4.1內(nèi)壓分布曲線用均勻鏤空的有機玻璃板放置在冷卻塔下部來模擬塔內(nèi)淋水填料層的透風(fēng)率。試驗結(jié)果表明,塔內(nèi)填料層的透風(fēng)率對內(nèi)壓分布曲線形式?jīng)]有明顯影響,而與內(nèi)壓值關(guān)系密切,透風(fēng)率越小,內(nèi)壓均值絕對值越大。表2列出了在A類紊流場中不同透風(fēng)率下的內(nèi)表面壓力系數(shù)均值(取塔頂處風(fēng)壓為參考風(fēng)壓)。4.2內(nèi)壓壓力系數(shù)一般來說,自然通風(fēng)冷卻塔的透風(fēng)率大于30%,但由于在實際運行狀態(tài)時,臨時建筑設(shè)施會降低透風(fēng)率,出于安全考慮,本文以15%透風(fēng)率的內(nèi)壓作為實際結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓。這里也以15%透風(fēng)率為例來分析內(nèi)壓極值分布。定義壓力系數(shù)極值為:式中:Cpm和σcp表示壓力系數(shù)均值和根方差;g為峰值因子;ρ表示各測點壓力系數(shù)時程與各測點壓力系數(shù)在整個內(nèi)表面積分得到的力時程的相關(guān)系數(shù)。圖11給出了6個斷面內(nèi)壓的均值、根方差、峰值因子、相關(guān)系數(shù)和極值。內(nèi)壓壓力系數(shù)均值、相關(guān)系數(shù)和極值沿內(nèi)表面環(huán)向分布基本上呈一直線,在數(shù)值上大體相同。對每個斷面的壓力系數(shù)作平均,比較斷面壓力系數(shù)均值和極值沿冷卻塔高度的變化情況,從圖12可以看出,壓力系數(shù)不隨高度明顯變化,近似為均勻分布。由此得知,冷卻塔內(nèi)壓壓力系數(shù)在整個內(nèi)表面是均布的?；谶@一結(jié)論,對所有測點內(nèi)壓極值和均值分別進行平均,極值平均值(-0.737)是均值平均值(-0.524)的1.4倍,小于A類紊流場風(fēng)振系數(shù)1.6。5結(jié)構(gòu)升力時程(1)冷卻塔雷諾數(shù)效應(yīng)不容忽略,通過改變冷卻塔外表面粗糙度和調(diào)整風(fēng)速,可以較好地實現(xiàn)低雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蛯Ω呃字Z數(shù)下原型冷卻塔表面繞流的模擬。(2)通過對冷卻塔尾流的測試,驗證了用整體結(jié)構(gòu)升力時程的頻譜函數(shù)求渦脫頻率方法的有效性。(3)冷卻塔斷面