考虑流固耦合的变截面圆柱壳钢塔风振分析

王希慧, 黄伟, 王进沛, 赵志宇, 张伟

(1.国机集团科学技术研究院有限公司, 北京 100020; 2.国机集团工程振动控制技术研究中心, 北京 100020; 3.中建一局集团华北建设有限公司, 天津 300450)

火力发电常会伴随着大量的二氧化硫等有害产物,传统的脱硫排烟工艺中,脱硫塔与烟囱是独立的,为了减少对空气的污染,要求发电厂提高排烟高度,进而产生了脱硫排烟一体式变截面圆柱壳钢塔,即将烟囱直接设置在脱硫塔的顶部[1]。由于该塔烟囱与脱硫塔结合部位存在截面突变,削弱了刚度,增加了风致敏感性,导致结构在风荷载作用下极容易发生振动[2-3],甚至产生过大位移,对结构安全造成威胁,因此有必要对火电厂变截面圆柱壳钢塔的风振响应进行研究,并明确其合理的性能评价指标。

风荷载是高耸结构设计的主要考虑因素,风洞试验、现场实测和数值模拟等是风工程研究的主要方法[4-5]。在风洞试验方面,国内外学者开展了大量的研究。Li等[6]研究了结构阻尼对太阳塔涡激振动响应的影响,专门设计了弹性测试模型,通过风洞试验得到了横风向的基本剪切力和弯矩。Liang 等[7]通过气弹模型风洞试验研究了300 m高烟囱的风致响应,并将粗糙的纸条连接到模型表面来获得有效的高雷诺数流动。吴威等[8]通过数值风洞对超大型输电高塔施工过程的抗风性能进行研究,验证了强风作用下输电塔抗风措施的有效性。

现场实测是研究风工程最可靠的方法,何宏明等[9]分别测量了观测塔不同高度处风场的主要特征参数,结果表明湍流强度和阵风系数随风速和高度的增大而减小,并且实测脉动风速功率谱密度与Von Karman谱相吻合。Miyata等[10]基于各向同性湍流理论,对强台风期间日本Akashi-Kaikyo大桥的顺风向脉动风的功率谱密度和空间相关性进行了分析研究。Ke等[11]首次在实际雷诺数和湍流条件下测量了某超大型冷却塔的风振响应,研究了超大型冷却塔的平均风效应、脉动风效应、动态放大系数和极限响应等。考虑非高斯特性的风致响应极值分布的影响,余玮等[12]以某大型冷却塔为研究对象,通过现场监测得到环境激励下塔筒关键部位的加速度振动信号,结合随机减量法和自然激励技术对信号进行预处理,再通过模态识别方法获取了冷却塔前十阶自振特性参数。

在数值计算方面,周费宏等[13]通过采用3种高雷诺数模型,对高层建筑标准模型在不同网格划分、风场环境及风向条件下的流场特征进行了模拟,并用风洞试验进行了验证,结果表明RNGκ-ε模型的计算结果较为准确。季俊[14]通过ADINA软件开展了考虑流固耦合效应的结构数值风洞计算,结果表明基于流固耦合的数值风洞模拟能够更准确地反映结构风振响应规律。

现采用数值风洞方法,以火电厂变截面圆柱壳钢塔作为研究背景,建立结构与风场耦合计算模型,计算变截面圆柱壳钢塔在不同重现期脉动风速下的风振响应,并开展现场风振监测,对数值风洞方法计算结果的可靠性进行验证。

1 数值风洞的构建

1.1 风场-结构耦合模型的建立

以赤峰市电厂项目脱硫排烟一体式变截面圆柱壳钢塔作为研究背景,如图1所示。塔体主要由底部脱硫塔与顶部烟囱组成,总高度为93 m,其中烟囱高约30 m。材料类型为Q235B,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.3,弹性模量为2.06×1011Pa。壁厚从底往上逐渐递减,壁厚范围为6～30 mm。上部烟囱直径4 m,中部湿除扩大段塔体直径12 m,下部塔体直径10 m。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[15]可知,地面粗糙度类别属于B类,地面粗糙度系数为0.16,梯度风高度为350 m, 赤峰地区10、50和100年重现期基本风压分别为0.30、0.55、0.65 kN/m2。

图1 变截面圆柱壳钢塔

基于流固耦合理论,利用ADINA有限元软件,建立流体-结构耦合计算模型。为了满足阻塞率的要求[16],流场域尺寸为200 m×200 m×130 m,如 图2 所示。

图2 考虑流固耦合作用的数值风洞

风场X负方向为流场进风口,X正方向为流场出风口。流场域入口采用速度边界条件(velocity-inlet),同时风速沿高度方向以梯度风的形式施加,流场域出口采用完全发展的边界条件(out-flow),流场域底部、顶部及侧面采用固定边界条件(wall),钢塔与风场相互作用面设置为流固耦合边界(fluid-structure interface)。风场的单元类型为3D-Fluid,空气密度为1.225 kg/m3,黏性系数为1.78×105kg/(m·s)。

为了使计算结果更具参考价值,按照脱硫排烟一体式变截面钢塔实际尺寸建立结构有限元模型。结构单元类型选择适用于薄壁的壳单元,本构关系采用考虑塑性强化的双折线模型[17]。由于钢塔结构壁厚沿高度方向逐渐减小,因此采用分区建模的方式形成壁厚变化的结构模型。

1.2 脉动风速时程模拟

脉动风速的合理性对于风振响应的分析非常重要,基于自回归模型(autoregressive model,AR)方法,采用MATLAB软件编译适用于钢塔结构的脉动风速时程曲线,其中平均风速基于当地场地环境条件以及国家规范确定[15],脉动风速谱采用随机序列产生。由风速风压换算公式[式(1)]计算可知,赤峰市地区10、50和100年重现期10 m高度处 10 min 内平均风速分别为22.13、29.97和32.58 m/s,频率取值范围为0.001～6 Hz,通过Davenport谱模拟得到的赤峰地区不同重现期脉动风速谱。

(1)

式(1)中:ω0为风压,Pa;ν0为风速,m/s;ρ为空气密度,取1.225 kg/m3。

同时,为验证应用AR自回归法模拟脉动风速谱的准确性[18],将模拟功率谱和目标谱(Davenport谱)做对比。以50年重现期部分脉动风速时程和功率谱密度为例,如图3所示。

图3 50年重现期风速与功率谱密度

从图3(a)可以看出,模拟风速围绕平均风速上下波动,从图3(b)可以看出,应用AR自回归方法模拟的脉动风速功率谱与目标谱(Davenport谱)基本一致,表明两者拟合情况良好,说明了采用AR自回归法对自然脉动风速的模拟是可靠有效的,且未发生脉动风速时程失真的现象。

2 风振响应分析

以50年重现期风速作用下结构动力响应为例,提取变截面圆柱壳钢塔顶部位移、加速度以及距底部1 m高度处应力的动力响应时程结果,如图4所示。可以看出,在脉动风作用下,结构产生往复运动。为了进一步研究结构的风振特点,提取不同风速作用下结构沿高度方向的位移和应力响应峰值,并绘制成包络线,如图5所示。

图4 50年重现期风速作用下风振时程

图5 结构风振响应峰值包络线

从图5(a)可以看出,加速度沿着高度方向逐渐增大,曲线斜率在过渡段位置产生轻微突变,且上部塔体加速度与高度呈线性关系,风速越大,结构的加速度响应越大,其中50年与100年重现期风速作用下结构加速度响应包络线比较接近。

从图5(b)可以看出,位移响应峰值同加速度变化规律一致,沿着高度方向逐渐增大,越靠近顶部增长越快。风速越大,结构的位移响应越大,其中50年与100年重现期风速作用下结构响应包络线差别不是很大,但都没有超过结构的规范位移限值[19]。

从图5(c)可以看出,应力沿高度方向呈现逐渐减小的趋势,且在过渡段由于截面的突变,应力发生突变,产生应力集中现象。风速越大,应力越大,不同风速下的应力在底部差别最大,在除尘扩大段差别最小,50年与100年重现期风速作用下的结构峰值应力超过材料许用应力值。

综上所述,对于火电厂脱排一体式变截面圆柱壳钢塔的抗风设计,底部与过渡段位置以应力控制为主,顶部以位移控制为主。

3 现场风振监测

目前,火电厂脱硫排烟一体式变截面钢塔设计主要依赖于工程经验,缺乏相应的理论和适用规范。为了验证数值风洞计算方法的可靠性,开展了现场风振监测。利用风速仪采集现场风速,利用振动监测系统监测在该风速下脱硫塔沿高度方向的风振响应。同时将现场采集风速输入模型,将现场监测结果与数值模拟结果进行对比。

3.1 现场监测布置

风振监测采集系统采用的是D1000动态信号数据分析系统,支持16通道,内置独立的24 bit ADC,每通道最高以128 kHz的采样频率同步采样,内置程控放大器和滤波器,可完成多种传感器信号的高速采集。传感器采用的是适用于低频振动测量的941B型拾振器,现场仪器布置如图6所示。

图6 现场监测布置

根据现场监测条件,分别在塔体背风面沿高度方向30、40、50 m标高处设置3个测点,编号依次为1#～3#。由于外保温层柔度较大,为了更好反映塔身的振动,将传感器固定在塔体加劲肋上,以使其与塔身能够保持同步运动。

3.2 监测与模拟结果对比

现场实测底部、中部和顶部的平均风速依次为3、7和9 m/s, 沿高度方向呈梯度分布规律,根据现场风速分布特点,设置与现场风速分布规律一致的梯度风作为入口边界条件,如图7所示。

图7 入口梯度风速分布

依据现场10 m高度处监测到的平均风速(4 m/s),通过AR自回归模型法生成现场脉动风速,并将脉动风速输入数值风洞进行计算,提取与 3# 测点相同位置数值模拟的位移时程结果,并与监测结果做对比,如图8所示。可以看出,3#测点的监测与数值模拟位移时程变化曲线较为吻合,计算不同测点的监测与模拟平均位移幅值,如表1所示,由于现场监测环境振动较为复杂,数值模拟只考虑了风荷载的影响,因此监测结果整体大于数值模拟结果,各测点的最大误差在15%以内,说明数值风洞的计算结果是合理的,采用流固耦合计算能较为准确地分析复杂薄壁圆柱壳钢塔在风荷载作用下的动力响应。

表1 监测与模拟平均位移幅值对比

图8 监测与模拟位移时程结果对比(3#测点)

4 结论

利用数值风洞和现场监测的方法研究了火电厂变截面圆柱壳钢塔在不同重现期风速作用下的振动响应,主要得出以下结论。

(1)基于流固耦合理论,建立了结构场与流场计算模型,利用数值风洞的方法模拟了变截面圆柱壳钢塔的风振响应,并通过现场监测证明了模拟结果的可靠性,为复杂高耸薄壁结构的流固耦合分析提供了参考。

(2)在脉动风作用下,变截面钢塔做往复运动,位移响应幅值沿着高度方向逐渐增大,在变截面处曲线增长速率变小,风速越大,结构的位移响应越大,但是50年与100年重现期风速作用下结构响应差别不是很大,总体上都没有超过规范位移限值。

(3)从应力水平来看,总体上应力沿高度方向逐渐减小,且在变截面处存在应力突变。风速越大,应力峰值越大,沿着高度方向不同风速下的应力差别越来越小,其中50年和100年重现期风速作用下超过材料许用应力值,在抗风设计中底部和变截面处以应力控制为主。