某火电厂150m高烟囱平均风压的CFD数值模拟研究

郑德乾 沙蔚博

摘 要：采用Realizable k-ε湍流模型对某火电厂150m高烟囱的平均风压进行了CFD数值模拟，研究了不同风向角情况下烟囱表面平均风压的分布规律，得到了烟囱表面分块体型系数沿高度变化规律，通过流场显示对周边建筑对烟囱表面风压分布的影响机理进行了分析，还将烟囱整体体型系数与荷载规范值进行了对比。本文结果可为该类高耸结构的抗风设计提供参考。

关键词：CFD数值模拟；高耸结构；平均风压；流场分析

引言：随着科技的进步和人们生活水平的提高，社会用电量的需求逐步增大，虽然近年来发展的太阳能、风能和水利发电等绿色能源已逐渐推广使用，但在相当长一段时间内，可能仍无法完全替代火力发电。烟囱是火电厂中应用广泛的高耸结构，伴随着火电厂发电规模的不断提升，烟囱的高度也逐渐增高，由此带来的抗风问题也日益显著，现行《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012） [1]无法准确给出这类结构的风荷载。结构抗风研究多采用风洞试验方法，但风洞试验周期长、费用高；随着计算机技术和湍流模型的发展，CFD（Computational fluid dy

namics）数值模拟方法已越来越多地应用到结构抗风研究中

[2～5]，该方法便于参数分析，且可进行流场可视化机理分析，具有较广阔的应用前景。

某火电厂拟建工程规模为2×150MW燃煤机组，两台机共用一座150m高烟囱。由于烟囱周围有锅炉房和主厂房等结构物的影响，某些风向角下烟囱周围的流场将受厂房建筑物干扰而发生变化，导致烟囱风荷载分布的改变。因此，本文采用CFD数值模拟方法和Realizable k-ε湍流模型，对该火电厂烟囱的平均风荷载进行数值模拟研究，以对其抗风设计提供参考。

一、数值模拟方法及参数

本文的结构抗风研究属于钝体绕流问题，CFD数值模拟的控制方程是粘性不可压Navier-Stokes （简称N-S）方程，为得到结构的平均风压，需要对N-S方程进行时均化处理，相应的流体控制方程为

本文压力速度耦合的求解采用SIMPLEC算法，对于动量方程、湍动能和湍动能耗散率方程均采用二阶迎风格式进行离散，近壁区流动的修正采用非平衡壁面函数实现。通过监测各方程计算残差低于为5×10-4，同时各表面风压系数基本不随迭代步数发生变化，来得到流场的稳态解。

二、烟囱平均风压CFD数值模拟

拟建火电厂烟囱及周边锅炉房和主厂房等结构物如图1a所示，图中烟囱高度为H=150m，图1还给出了烟囱周边主要建筑的高度。拟建场地地面粗糙度为B类，10m高度处50年重现期基本风速为36.88m/s。

数值模拟中计算域取为60H（流向）×30H（展向）×5H（竖向），研究对象放置于距入流面6H处。采用区域分块技术进行网格划分，研究对象周围采用尺寸较小的非结构化网格，近壁面网格加密，其它区域采用结构化网格，网格总数约180万，如图1b所示。图2a所示为本文数值模拟计算主要考虑的5个风向角。

三、数值模拟结果及分析

（一）点体型系数。为了便于同规范[1]进行比较，本文结果分析中，结构表面压力场用无量纲的点体型系数风压力系数μsi表示，定义为

式中，Pi是测点平均压力，ρ是空气密度，U（zi）为距地高度为zi的来流平均风速。

（二）分块体型系数。为便于结构抗风设计使用，本节给出烟囱表面采用面积加权平均得到的分块体型系数值μs，定义为

式中，Ai为测点i代表的结构表面积。

采用烟囱表面10个不同距离地面高度处的横截面（图2b所示）对烟囱表面进行分块处理，根据式（6）可计算得到烟囱表面距地不同高度处各分区的分块体型系数值，本文考虑风向角情况下烟囱表面分块体型系数沿高度的变化规律如图3所示。

由图3可见，（1）所有风向角下，除了距地147m高度分块外（该分块处于烟囱顶部，风压梯度变化较大），烟囱表面分块体型系数均随着距地高度的增加呈现逐渐增大的趋势；（2）当距地高度相同时， 180°风向角下分块体型系数值最大，90°风向角分块风压系数值最小；45°和90°风向角下近地面位置分块体型系数出现负值。

对烟囱表面整体采用式（6）进行面积加权平均，可计算得到不同风向角情况下烟囱表面整体的体型系数值，如表1所示。由表1可见，90°风向角时烟囱体型系数最小，值为0.30；

180°风向角时体型系数值最大，值为0.58。对于本文所研究烟囱，规范[1]建议整体体型系数值取0.60，稍大于本文数值模拟值，另外结合图4分块体型系数结果（180°风向角）可知，当距地高度超过57m时，烟囱表面分块体型系数结果在0.63～0.75范围内，值均大于0.60。

四、结语

采用Realizable k-ε湍流模型，对某火电厂150m高烟囱的平均风荷载进行了CFD数值模拟研究，比较分析了不同风向角情况下烟囱表面的平均风压分布规律，结合流场显示技术分析了风压分布机理，得到了烟囱表面分块体型系数，并将整体体型系数与规范值进行了比较，本文结果可为该类高耸结构抗风设计提供参考。

参考文献：

[1] 建筑结构荷载规范（GB 50009-2012），中国建筑工业出版社， 2012.

[2] Huang， S.， Li， Q.， Xu， S. Numerical evaluation of wind effects

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[5] 郑德乾， 顾明， 周晅毅 等.世博轴膜面平均风压的数值模拟研究. 建筑结构学报， 2009， 30（5）： 212-219.