不同导风装置对超大型冷却塔风压特性影响研究

柯世堂, 朱 鹏

(南京航空航天大学 土木工程系,南京 210016)



不同导风装置对超大型冷却塔风压特性影响研究

柯世堂, 朱 鹏

(南京航空航天大学 土木工程系,南京 210016)

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。

超大型冷却塔；导风装置；脉动风压；峰值因子；极值风压

大型双曲冷却塔作为火/核电厂重要构筑物，其抗风安全性能一直受到研究和设计人员的重视。自从1965年英国渡桥电厂三座冷却塔在中等风速下风毁事故[1]发生以来，国内外很多学者对其表面风荷载分布特性[2-4]和群塔干扰效应[5-8]进行了深入研究，相关研究内容很好地支撑了大型双曲冷却塔的抗风设计。然而，已有研究成果均没有考虑冷却塔进风口导风装置[9]的影响，更缺乏不同导风装置对冷却塔局部和整体风荷载影响的定性和定量研究，特别是表面极值风压现已成为冷却塔结构设计的控制载荷之一，其设计取值直接关系到冷却塔的结构安全性能和整体造价。因此，对不同导风装置下冷却塔表面平均和极值风荷载分布特性的研究具有重要工程意义。

鉴于此，对内陆某核电超大型冷却塔(高215 m)增设三种不同导风装置，通过风洞试验对比研究了三种不同导风装置对表面平均风压、脉动风压、峰值因子及极值风压等气动参数的影响，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，并给出了不同导风装置下冷却塔极值风压的拟合公式。相关结论可为超大型双曲冷却塔考虑导风装置的设计风荷载取值提供科学依据。

1 风洞试验

1.1 模型参数及测点布置

本文以内陆在建的某核电超大型冷却塔为例，高度为215 m，塔顶外半径53.2 m，喉部中面半径49.5 m，进风口中面半径78.1 m，通风壳体采用分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.3 m，塔底由48对均匀分布的人字柱支撑。按1∶500缩尺比制作冷却塔刚体测压模型，冷却塔模型阻塞度小于5%。冷却塔外表面沿其子午向和环向布置12×36共432个表面压力测点。图1给出了冷却塔模型的测点布置与来流角度。

图1 冷却塔测点布置与来流角度Fig.1 Layout of cooling tower and angle of flow

1.2 导风装置参数

图2为无导风装置和增设三种导风装置的冷却塔刚体测压模型示意图，三种导风装置分别为外部进水槽、导风板和弧形导风板，每种导风装置的详细尺寸如图3所示。简称无导风装置为工况一，外部进水槽为工况二，导风板为工况三，弧形导风板为工况四。

图2 不同导风装置冷却塔刚体测压模型示意图Fig.2 The sketches of cooling towers with different air-deflectors

图3 不同导风装置模型的详细尺寸示意图Fig.3 Detail sizes of different air-deflectors

1.3 雷诺数效应模拟

冷却塔刚体测压试验所用风洞是一座具有串置双试验段的全钢结构的闭口回流低速风洞[10]，主试验段宽3 m，高2 m，长20 m。风速连续可调，最大风速可达45 m/s；测压系统采用美国Scanivalve公司的电子扫描阀测压系统。三角尖劈和地面粗糙元置于来流前部，用以模拟B类地貌的大气边界层。图4给出了风洞试验中B类流场实测的平均风剖面、湍流强度和脉动风谱，可见风场模拟的平均风剖面和规范比较吻合。同时将实测的脉动风谱进行拟合，并和Davenport谱、Harris谱及Karman谱进行对比，结果表明该风场模拟的脉动风谱满足要求。

图4 B类风场模拟参数结果示意图Fig.4 Simulation parameters in terrain B

通过比较了多种改变表面粗糙度方案，最后确定采用在表面贴粗糙纸带(沿圆周均匀分布间隔宽5 mm、厚0.1 mm，计36条竖向通长粗糙纸带)和调整试验风速(10 m/s)手段来模拟高雷诺数效应[11]。由图5比较可知表面贴粗糙纸带在10 m/s试验风速下冷却塔中间断面平均表面压力系数分布与规范[12]值吻合较好，后续不同导风装置冷却塔模型均采用该粗糙度。

图5 单塔试验结果与规范表面压力分布对比图Fig.5 Specifications for test results and comparison of surface pressure distribution

2 数据分析方法

物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，该系数可按下式确定：

(1)

式中,Pi为作用在测点i处的压力；P0、P+∞分别为试验时参考高度处的总压与静压。风压符号规定为：表面压力相对冷却塔塔壁向内为正，向外为负。

体型系数为面上第i测点的平均风压与该测点所属表面面积Ai的乘积取加权平均得到，其值为:

(2)

建筑物表面的极值风压系数可以用风压系数的平均值和标准差来表示，即：

Cpext=Cpmean±gCprms

(3)

式中,Cpext，Cpmean和Cprms分别为风压系数极值、平均和标准差，其值为表面压力和参考压力的比值，g为峰值因子。等式右端项取加号或减号分别为正向或负向极值风压系数。

在高斯过程假定下，KE等[13]提出了峰值因子计算方法，其计算公式为:

(4)

式中,v为单位时间内数据穿越平均值的次数；T为样本的时间长度。

3 结果分析

3.1 平均风压

图6 典型层测点压力系数对比Fig.6 Comparison of pressure coefficient of typical layer points

图6给出了塔筒表面四个典型断面处的平均风压系数分布曲线，图7分别给出了塔筒在0°、70°、120°和180°四个典型角度的子午向体型系数分布曲线。对比发现：①不同导风装置对塔筒迎风面压力系数影响较小，但对侧面与背风面风压系数有明显影响；增加导风装置后冷却塔在0°和70°子午向的塔筒下部区域体型系数差别较小，但在120°与180°子午向处均增大了体型系数，其中对180°子午向增大效果最为明显，其增幅达到了16.3%；②施加导风装置可有效减少塔筒中部区域70°子午向处的体型系数，其中工况二可减少约6.6%；③不同导风装置仅对塔筒上部区域180°子午向处体型系数影响较大，对其他区域影响较小。分析表明增加导风装置对70°子午向处表面平均风压改善效果最好，可有效减少负压极值区域体型系数。

图7 不同导风装置冷却塔典型角度子午向体型系数分布曲线Fig.7 The shape coefficients under different meridian angles with different air-deflectors

3.2 脉动风压

压力系数的根方差是用来衡量脉动风压能量大小的重要指标，图8给出了四个工况下冷却塔表面脉动风压均方根随环向角度与子午向高度变化云图。

图8 各工况下冷却塔表面所有测点脉动风压根方差分布云图Fig.8 Four cases of RMS fluctuating wind pressure coefficient

由图8可知，脉动风压的分布规律与平均风压结果有较大差别。其中工况一的脉动风压根方差沿子午向与环向分布较为均匀，随着环向角度的增大，脉动风压先减小再增大，最后再减小并逐渐稳定，脉动风压在塔筒两侧80°～100°之间达到极大值；随着子午向高度的增大，迎风面脉动风压数值逐渐增大，但在背风面则较为平稳。

四个工况脉动风压均方根具有相似的变化规律，其中背风面测点的脉动风压数值较接近；由于侧面为分离区，脉动风压系数明显增大，但是增加导风板后可有效减少脉动风压；不同导风装置对于减少塔筒迎风面中上部脉动风压根方差均有一定的效果，其中以工况四最为显著。

3.3 峰值因子

文献[14]通过对无导风装置的冷却塔脉动风压研究得出峰值因子的取值一般在3.0～5.0之间，为了研究不同导风装置对冷却塔脉动风压峰值因子取值的影响，本文基于高斯过程假定，采用KE等提出的峰值因子法，计算出各工况下每个测点的峰值因子，风压时距T取值为600 s，并最终给出冷却塔各工况峰值因子的参考取值。图9给出了不同导风装置下冷却塔表面所有测点峰值因子的分布区间。

图9 四个工况下冷却塔表面所有测点峰值因子分布图Fig.9 The peak factors for cooling towers with different air-deflectors

对比发现：不同工况下沿环向所有测点峰值因子的变化规律一致，且迎风面与背风面峰值因子数值差距明显，其中背风面峰值因子要明显大于环向其它区域，数值最大可达到3.6；迎风面下部由于导风装置的干扰作用，使得大部分区域的峰值因子要大于其它高度的数值，随着子午向高度增加，峰值因子呈现逐渐下降的趋势。而背风面由于同时受到导风装置与漩涡脱落的影响，峰值因子分布比较分散，数值变化较大；不同导风装置均可明显减小塔筒下部背风面的峰值因子。

为方便设计人员更合理选取峰值因子，表1给出了不同导风装置冷却塔表面不同区域峰值因子的平均值列表，同时图10也给出冷却塔环向分区和相应的峰值因子取值。

表1 四种工况下不同区域的峰值因子平均值Tab.1 Four conditions in different regions of average peak factor

图10 冷却塔环向分区峰值因子参考取值Fig.10 Reference value of peak factor in circular partition

3.4 极值风压

现有冷却塔设计规范和研究成果均没有涉及不同导风装置下冷却塔表面风压极值分布，图11和图12给出了四种工况下冷却塔表面风压系数极大值与极小值的分布云图。

图11 不同工况下冷却塔表面风压系数极大值分布云图Fig.11 Four cases of maximum wind pressure coefficient

图12 不同工况下冷却塔表面风压系数极小值分布云图Fig.12 Four cases of minimum wind pressure coefficient

对比发现：四种工况下风压系数最大值均发生在塔筒迎风面0°角位置，增加导风装置对于塔筒上部风压系数极大值影响较小，但是对塔筒中下部影响明显；不同导风装置均减少了迎风面风压系数极大值，其中以工况二与工况四的效果最为明显；不同导风装置均可有效减少塔筒上部负压极值区域的压力系数极小值，以工况三效果较好；在负压极值区域，工况四塔筒下部由于脉动风压贡献的减少，风压系数极大值明显减少，而在背风面区域，由于漩涡脱落和尾流的影响，使得背风面的负压极值分布规律也变得紊乱。

综合四个工况下的平均风压系数，并考虑脉动风压的影响，基于最小二乘法原理，以富氏级数展开式对体型系数极值分布曲线进行拟合：

(5)

计算发现当m≥7时，能够取得良好的拟合效果，表2给出四中工况m=7时拟合式中参数ak和bk的取值，图13给出了四种工况下拟合公式计算结果与试验数据的对比曲线。

表2 拟合参数ak和bk数值列表Tab.2 Fitting parameter data of ak and bk

图13 原始数据与拟合后数据对比Fig.13 Comparison between the raw data and the fit data

4 结 论

设计制作三种不同导风装置和无导风装置的超大型冷却塔刚体模型，基于刚体测压试验结果研究了不同导风装置对表面平均风压、脉动风压、峰值因子以及极值风压的影响规律，相关结论可为超大型双曲冷却塔考虑导风装置的抗风设计提供科学依据。具体结论如下：

(1)不同导风装置均可有效减少塔筒中部区域70°子午向处的平均风压，其中工况二效果最显著，可减少约6.6%，不同导风装置仅对塔筒上部区域180°子午向处平均风压影响较大，对其它区域影响较小。不同导风装置均可有效减小背风面的脉动风压根方差，并且对于减少塔筒迎风面中上部脉动风压根方差也有一定的效果，其中以工况四最为显著。

(2)不同导风装置均可明显减小塔筒下部背风面的峰值因子，背风面峰值因子要明显大于环向其它区域，数值最大可达到3.6，且随着子午向高度增加，峰值因子呈现逐渐下降的趋势。最终给出了不同导风装置下冷却塔峰值因子取值的环向分布图。

(3)四种工况下风压系数最大值均发生在塔筒迎风面0°角位置，增加导风装置对于塔筒上部风压系数极大值影响较小，但是对塔筒中下部影响明显。不同导风装置均减少了迎风面和负压极值区域风压系数极大值，其中以工况二与工况四的效果最为明显。最终式(5)给出了不同导风装置和无导风装置下超大型冷却塔表面极值风压的拟合公式。

[1] 沈国辉, 王宁博, 楼文娟,等. 渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析[J]. 工程力学, 2012(8):123-128. SHEN Guohui, WANG Ningbo, LOU Wenjuan. Analysis of tower shape factor in the collapse of the Ferrybridge cooling towers[J]. Engineering Mechanics, 2012,(8):123-128.

[2] 柯世堂, 侯宪安, 赵林,等. 超大型冷却塔风荷载和风振响应参数分析:自激力效应[J]. 土木工程学报,2012,45(12):45-53. KE Shitang, HOU Xianan, ZHAO Lin, et al. Parameter analysis of wind loads and wind induced responses for super-large cooling towers: self-excited force effects[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(12): 45-53.

[3] NOORZAEI J, NAGHSHINEH A, ABDUL KADIR M R, et al. Nonlinear interactive analysis of cooling tower-foundation-soil interaction under unsymmetrical wind load[J]. Thin-Walled Sturcture,2006,44(9):997-1005.

[4] 赵林,葛耀君,许林汕,等. 超大型冷却塔风致干扰效应试验研究[J]. 工程力学, 2009, 26(1): 149-154. ZHAO Lin, GE Yaojun, XU Linshan, et al. Wind tunnel investigation on wind-induced interference effects for super large cooling towers[J]. Engineering Mechanics,2009,26(1): 149-154.

[5] KE S T, LIANG Jun，ZHAO Lin, et al. Influence of ventilation rate on the aerodynamic interference for two extra-large indirect dry cooling towers by CFD[J]. Wind and Structures, An International Journal, 2015，20(3):18-37.

[6] SPALDING B, SINGHAM R. Die leistung von kaminkuhlern[J]. Vergleich Theorie and Praxis,1996, 18(7): 385-391.

[7] 邹云峰,牛华伟,陈政清. 超大型冷却塔单塔外表面风荷载三维效应及其设计取值[J]. 振动与冲击,2013,32(24): 76-82. ZOU Yunfeng, NIU Huawei, CHEN Zhengqing. Three-dimensional effect and design values of outer surface wind loading for single super-large cooling tower[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(24): 76-82.

[8] KE S T, GE Y J, ZHAO L, et al. Wind-induced responses characteristics on super-large cooling towers[J]. Journal of Central South University of Technology, 2013, 20(11): 3216-3227.

[9] 艾·汉佩. 冷却塔[M]. 胡贤，译.北京: 电力工业出版社, 1978.

[10] 谢壮宁, 倪振华, 石碧青. 大跨度屋盖结构的等效静风荷载[J]. 建筑结构学报, 2007, 28(1):113-118. XIE Zhuangning, NI Zhenhua, SHI Biqing. Equivalent static wind loads on large span roof structures[J]. Journal of Building Structures,2007,28(1):113-118.

[11] 沈国辉,余关鹏,孙炳楠,等. 模型表面粗糙度对冷却塔风荷载的影响[J]. 工程力学, 2011, 28(3): 86-93. SHEN Guohui, YU Guanpeng, SUN Bingnan, et al. The influence of modal surface roughness on wind loads of cooling towers[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(3): 86-93.

[12] 火力发电厂水工设计规范: DL/ 5339—2006[S]. 北京：中国电力出版社,2006.

[13] KE S T, GE Y J, ZHAO L, et al. A new methodology for analysis of equivalent static wind loads on super-large cooling towers[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 111(3): 30-39.

[14] 柯世堂, 赵林, 葛耀君. 大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性—风压极值探讨[J]. 实验流体力学,2010,24(4): 7-12. KE Shitang, ZHAO Lin, GE Yaojun. Features of fluctuating wind pressure on large hyperbolic cooling tower: discussions on extreme wind pressure[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2010, 24(4): 7-12.

Impact of different air-deflector on the wind pressure on super-large cooling towers

KE Shitang, ZHU Peng

(Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In order to study the wind load influence of different air-deflector on a super-large cooling tower, the wind pressure distribution characteristics of four kinds of cooling towers were studied by wind tunnel tests. The concerned characteristics of the wind pressure include the average pressure, the fluctuating wind pressure, the extreme wind pressure and the peak factor. The influences of different air-deflector on the overall and local wind pressure distribution on the large cooling tower were analysed. The fitted formula for the extreme wind pressure on cooling tower installed with different wind deflectors was presented. The results show that the three kinds of air-deflector can effectively reduce the average wind pressure in the extreme area of negative pressure at the middle part of cooling tower and the fourth kind is the best to reduce the RMS of wind pressure at the upper part of the cooling tower. The peak factor values at different sides of the super-large cooling tower are different: it is 3.29 at the wind face side 3.14 at the crosswind side at different sides of the leeward side.

super-large cooling tower; air-deflector; fluctuating wind pressure; peak factor; extreme wind pressure

国家自然科学基金(51208254);江苏省优秀青年基金(BK20160083);中国博士后基金(2013M530255);江苏省博士后基金(1202006B)

2015-07-06 修改稿收到日期：2015-11-07

柯世堂 男，博士，副教授，1982年11月生

TU33+2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.021