考虑导风装置大型冷却塔双塔风致干扰效应研究

朱 鹏, 柯世堂

(南京航空航天大学 土木工程系, 江苏 南京 210016)

0 引 言

我国《火力发电厂水工设计规范》(DL/T5339-2006)[1]中规定两个冷却塔之间的中心距不得小于基底直径的1.5倍，但是对冷却塔附属设施和周围建筑环境，如高大山体、烟囱、进风口处增设导风装置及其它发电厂构筑物对塔体的干扰效应规范未做明确规定。已有研究[2,3]表明，冷却塔进行结构设计时不考虑这些因素会导致风荷载取值偏于不安全。Niemann[4]通过风洞试验研究了周边干扰对塔筒表面平均和极值风压分布的影响，赵林等[5]系统研究了双塔塔距、来流风向角和流场条件对冷却塔风振系数的影响；沈国辉等[6]采用计算流体动力学方法分析了不同塔间距和风向角情况下冷却塔的风荷载分布规律；周旋等[7]对单塔、双塔布置及双塔与周边山地环境布置三种状态下的风荷载进行了探讨；程霄翔等[8]通过风洞试验研究了八塔组合冷却塔群之间的干扰效应。但国内外鲜有学者对增设不同导风装置后的冷却塔风致响应特性进行研究，更缺乏对增设导风装置后双塔之间的风荷载和干扰效应的研究。

鉴于此，对内陆某核电超大型冷却塔(215 m)增设三种典型导风装置，通过风洞试验对比研究了设计中最常用塔距的双塔布置下不同导风装置对塔筒表面风荷载和干扰效应的影响，其中包括平均风压、脉动风压、峰值因子、极值风压和干扰因子等参数。相关结论可为考虑导风装置的超大型冷却塔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

以内陆在建的某核电超大型冷却塔为例[9]，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，塔筒由48对均匀分布的人字柱支撑。为满足阻塞率小于5%，按1∶500缩尺比制作冷却塔刚体测压模型，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给出了被测塔模型的测点布设与双塔布置示意图，被测塔和干扰塔的中心连线与来流风向的夹角为风向角θ，0°～180°风向角每隔22.5°为一个工况，共计9个风向角，0°风向角为被测塔在前，干扰塔在后，取工程中常见塔间距1.5D(D为底支柱0 m直径)。

(a) 测点布置高度

(b) 双塔位置示意

(c) 风洞试验双塔布置示意

1.2 流场模拟结果

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，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，风剖面指数α=0.15。图2给出了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及湍流强度和规范比较吻合，脉动风谱满足工程要求。

1.3 试验工况

图3给出了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、矩形导风板和弧形导风板，三种导风装置均布设在大型冷却塔进风口上端，导风装置的详细尺寸见图4所示。

(a) 平均风速和湍流度剖面图

(b) 脉动风谱对比示意图

图3 不同导风装置冷却塔刚体测压模型示意图Fig.3 The sketches of cooling towers with and without different air-deflectors

为方便下文叙述，定义：无导风装置为DF0，外部进水槽为DF1，矩形导风板为DF2，弧形导风板为DF3。

图4 不同导风装置模型的详细尺寸示意图Fig.4 Detail sizes of different air-deflectors

1.4 雷诺数效应模拟

大型冷却塔原形结构在设计风速下雷诺数范围为107～108之间。由于物理风洞本身的局限性，难以简单通过提高试验风速或增大结构模型几何尺寸再现这种高雷诺数下表面绕流形态。类圆柱结构绕流特性不仅与雷诺数有关，而且还与表面粗糙度等因素有密切的关系，因此可通过适当改变模型表面粗糙度来近似模拟高雷诺数时的绕流特性[10]。

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(沿圆周均匀分布二三间隔宽5 mm、厚0.1 mm，总计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(a)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压力系数分布与规范值吻合较好。

图5(b)给出了无导风装置的冷却塔塔筒典型断面脉动风压与国内外实测[11-12]及风洞试验[13]分布曲线对比示意图，对比发现风洞试验获得的脉动风压分布趋势和数值均与已有实测和试验结果接近，考虑到脉动风压分布与实测塔所处的地形、来流湍流和周边干扰密切相关，因此本文基于风洞试验得到的脉动风压具有一定的有效性，可用于后续的风荷载随机分布特性研究。

(a) 各工况单塔试验结果与规范表面压力分布对比

(b) 风洞试验[13]、国内外实测和本文试验脉动风压结果对比

2 试验结果分析

2.1 平均风压系数

限于篇幅，图6给出5个典型风向角下塔筒典型断面(第3和9层)平均压力系数值，对比发现：45°风向角下被测塔与干扰塔局部区域呈现较为显著的“夹道效应”，导致DF0的负压区压力系数增大了0.16；增设导风装置后，塔筒下部背风面压力系数呈现出明显波动，以DF1最为显著。风向角90°时，“夹道效应”最为明显，塔筒下部侧风面负压极值区压力系数小于-1.0，且增设导风装置后第3层测点背风区压力系数波动明显。风向角180°时，被测塔被完全遮挡，此时压力系数极大值与极小值差值最小，并且塔筒表面压力系数为各工况下的最小值；在塔筒迎风面区域，干扰塔的尾流影响了被测塔的迎风面正压，第3层测点压力系数出现两个峰值。

(a) 0°典型测点层压力系数

(b) 45°典型测点层压力系数

(c) 90°典型测点层压力系数

(d) 135°典型测点层压力系数

(e) 180°典型测点层压力系数

2.2 脉动风压系数

图7给出了增设不同导风装置的被测塔在典型风向角下表面脉动风压的分布云图，对比分析得出： 风向角0°下增设导风装置对被测塔的脉动风压影响较小，仅有DF3的迎风面与侧风面脉动风压变化显著，此时塔筒中下部侧风面脉动风压数值超过0.3；风向角90°时，由于被测塔与干扰塔局部区域形成“夹道效应”，塔筒两侧脉动风压分布差异明显，增设导风装置增大了塔筒背风面下部的脉动风压数值；风向角180°时，被测塔被干扰塔遮挡，此时增设不同导风装置的被测塔负压极值区域脉动风压差异较小。

图7 不同导风装置典型风向角下的脉动风压分布图Fig.7 Fluctuating wind pressurewith different air-deflectors and typical wind direction

2.3 峰值因子

文献[14]通过对无导风装置冷却塔表面脉动风压研究得出峰值因子取值在3.0～5.0之间，本文为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，基于高斯过程假定，采用峰值因子法[15]计算出各导风装置表面测点的峰值因子，结果如图8所示。

分析得出：导风装置对于不同高度测点的峰值因子影响差别明显，其中第3层断面受导风装置影响较大，峰值因子变化较为明显，随着高度的增长，第9层测点的峰值因子变化较小；随着风向角逐渐增大，塔间干扰效应加强，峰值因子极值区域随之逐渐偏移，其中90°风向角工况为峰值因子取值最不利位置。

图8 典型风向角下第3断面与第9断面测点峰值因子分布图Fig.8 Peak factor distribution of the 3rd section and 9th section with the typical wind direction

2.4 极值风压系数

为便于直观分析双塔干扰下增设不同导风装置对极值风压的影响，将增设导风装置后得到的风压极值减去未增设导风装置时的风压极值，此时得到的差值即为双塔干扰下增设导风装置对极值风压的影响。

图9给出了典型风向角下增设导风装置对冷却塔塔筒表面第3层测点风压极值的影响示意图。分析得出：风向角0°时，增设不同导风装置对塔筒下部风压极大值影响较小，仅有DF3对塔筒背风面影响较大，增幅达到了0.2；导风装置有效减少了塔筒第3层测点的风压极小值。风向角45°时，增设导风装置后被测塔与干扰塔夹缝的背面风压极值明显增大，局部测点风压极值减少达到了0.3。增设导风装置对风向角90°时的塔筒侧风面影响较小，但是对背风面风压极值改变较大。随着风向角的继续转动，不同导风装置对被测塔迎风面风压极值影响逐渐较小，但对侧风面与背风面的影响不能忽略，当达到风向角180°时，被测塔受干扰塔尾流影响较大，背风面风压极值均出现了明显的脉动。

图10给出了各典型风向角下增设导风装置对冷却塔塔筒第9层断面测点风压极大值与极小值的影响示意图，与图9给出的第3层断面测点结果类似，极值风压的分布规律均呈现出类似于冷却塔模态中的正反对称特点。导风装置对塔筒侧风面极值风压影响较大，其中DF1对喉部侧风面极值风压增幅达到了0.5，且对背风面气流干扰较大，导致其风压极值波动明显。

图9 增设不同导风装置典型风向角下被测塔第3层测点风压极值变化示意图Fig.9 The extreme wind pressure of 3rd floor measuring points with typical wind directions and different air-deflectors

图10 增设不同导风装置典型风向角下被测塔第9层测点风压极值变化示意图Fig.10 The extreme wind pressure of 9th floor measuring points with typical wind directions and different air-deflectors

2.5 干扰因子

定义双塔层干扰因子为：增设导风装置后的冷却塔层阻力系数与未增设导风装置时的层阻力系数的比值，得出双塔干扰下增设导风装置对塔筒各层阻力系数的干扰因子。计算公式为：

式中：CD,d为双塔组合中增设导风装置后被测塔各层阻力系数；CD,n为双塔组合中未增设导风装置时各层阻力系数。

图11给出了不同导风装置下塔筒各层干扰因子分布三维图，分析得出增设DF1的被测塔层阻力系数干扰因子随风向角的变化波动较小，仅有90°来流风向角时其数值变化显著，此时最大干扰因子达到5.0，发生在喉部附近；增设DF2和DF3后层阻力系数干扰因子均沿子午向与环向出现多个峰值，其中子午向发生在塔筒下部与喉部偏上高度，分别对应模型的第2、3、7、9、12层，并且在135°风向角时导风装置对中部层阻力系数有减小作用，此时干扰因子为0.5。

(a) DF1

(b) DF2

(c) DF3

3 结 论

本文基于风洞试验系统研究了三种有导风装置和无导风装置的大型冷却塔双塔干扰表面风压分布特性，主要涉及平均风压、脉动风压、峰值因子、极值风压和干扰因子。主要结论如下：

1) 增设不同导风装置导致被测塔塔筒背风面负压区气流紊乱，以90°风向角下弧形导风板对塔筒侧风面负压值增大最为明显，同时弧形导风板对迎风面与侧风面脉动风压影响不可忽略，塔筒中下部侧风面脉动风压数值超过了0.3；

2) 增设不同导风装置对被测塔塔筒上部断面测点峰值因子影响较小，但对下部断面测点峰值因子影响不可忽略，峰值因子沿环向分布波动显著，其数值主要分布在3.2～3.6之间；

3) 增设不同导风装置后被测塔极值风压分布规律类似于冷却塔模态的正反对称特点，随着来流风向角的增大，不同导风装置对被测塔迎风面风压极值影响逐渐较小，但对侧面与背风面极值风压的影响显著，其中外部进水槽对喉部侧风面极值风压增幅达到了0.5；

4) 增设导风装置后被测塔层阻力系数干扰因子沿塔筒子午向和环向出现了多个峰值，90°风向角时干扰因子明显增大，带外部进水槽的冷却塔中上部断面层阻力系数干扰因子增大了近5倍，135°风向角时增设导风装置对塔筒中部断面层阻力系数有减小作用，此时干扰因子为0.5。