塔器上所受基本風壓分布參數的確定分析

馮立環 (中藍連海設計研究院 222004)

塔器上所受基本風壓分布參數的確定分析

馮立環 (中藍連海設計研究院 222004)

風壓分布是塔器設計的重點內容之一，本文基于這一背景，簡單闡述了風壓的定義，分析了影響風壓分布的幾個因素，并在此基礎上提出了基本風壓分布參數的概念與初步設計要點。旨在完善風壓分布參數設計方式，提升設計有效性。

風壓分布；塔器；參數設計

風壓指的是由于受到建筑物等物體抵擋，風無法從中穿過造成的四周空氣阻力增大情況，這種情況下動壓會下滑，靜壓隨之升高。在這種條件下，背面以及側面所出現的局部渦流靜壓下滑狀態相較于遠處由于遮擋物受到干擾的氣流而言，這類靜壓的降低與升高變化即為風壓。換言之，風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的來自流動風的壓力。對于塔器而言，由于其是由支座、封頭以及筒體等構件組合而成，屬于圓筒形狀態且體積較大，因此難免會對風力造成一定影響，其風壓也會由于各種因素產生變化。本文以此為背景，針對塔器上風壓分布參數的設定展開如下研究：

一、風壓分布影響因素研究

表一：平均風速年極大值

1.塔器本身外形影響

之前說到，風在流動過程中受到阻擋而產生風壓，也就是說，風流動情況下會受到不同形態的阻擋物，因此對于塔器而言，其阻擋效果與其它建筑物阻擋可能不盡相同。在基本風壓中，并沒有將塔器結構、形態等因素作為影響風壓的考慮因素，塔器在不同環境下呈現出的形狀、高度、表面積等因素不同，在同樣風速條件下，其風壓值也是不同的。通常而言，塔器屬于圓筒形狀，相關實驗研究結論對影響程度按照雷諾數來表示，標記為Re。通常而言，當雷諾數的值在1.5*105以下時（包含此值），K1值取1.2；當雷諾數的值在4*105以上時（包含此值），K1值取0.7。

由此可見，風壓分布大小狀態受到高度變化系數、基本風壓以及形體系數影響，其中基本風壓也可以被稱作為平均風速極大值。這類影響的決定性因素在于風的靜力性質，也就是說，在平均風速極大值下，風壓能夠使用以下公式來表達：

風壓=K1∫zq0

2.平均風對風壓分布的影響

在實施可靠性設計過程中，第一步應該是實際測量平均風速的年度極大值數據，數據應結合當地風速測量狀態記錄來完善，避免出現數據較大偏差。例如在某地區測量時，已經得到了僅幾十年內的平均風速記錄，將樣本容量定位23個，則可以按照下表來表示（見表1）。但如果塔器的存在點并不在其中心范圍內，則在收集到平均風速年極大值的樣本之后還應注意其分布狀態以及分布相關參數，之后的步驟相同。

二、風壓分布參數概念與初步設計

在完成一項壓力容器的設計過程中，尤其是可靠性強度設計，首先應對樣本實施有效的搜集、統計、管理以及處理，例如樣本的基本風壓、操作壓力、操作質量、各類型尺寸以及在地震狀態下的最大地面水平加速度。同時，在設計風壓時還應注意到樣本的分布狀態以及參數設置。在風壓參數分布的設計方面，主要應從以下幾個角度去考慮：

對于一個壓力容器而言，塔器在存在過程中必然會對風產生阻擋影響，當風運動途中受到塔器影響產生風荷載時，塔器筒體表層會受到歪曲狀態的應力。換言之，相當于風作為一個外來侵入力量，將塔器向風運動方向產生了“推動”作用力，讓塔身受到應力。風荷載屬于隨機荷載的一種，并不會屬于相同狀態，也就是說，在不同時間、不同環境下風力荷載產生的作用力并不相同。另外，即使是在相似甚至相同環境中，不同次作用的風力荷載也很少發現存在性質與大小與之前發生過的荷載力相一致情況。因此，風荷載的數據計算必須用到高等數學中的概率統計方法。研究者發現，在此方面風荷載能夠表示為風壓與塔器自身結構的迎風面積的乘積，使用公式可表達為：

在上述公式中，Q表示的是空氣密度，空氣密度受到測量點高度以及周圍環境的影響，應該視當時情況而定或是取多個月/年平均值。同時注意夏冬兩季空氣密度的差異性。V表示平均風速，需要在塔身部位測量一段時間后才能夠得出，并且注意測量方案的設定，測量必須包含到早中晚以及半夜這四個時間段，并且注意季節變化或是天氣變化，若在測量研究期間出現了強風、暴雨等天氣應將其適當刪減，不作為平均風速的計算；但若這種天氣屬于多發現象則可使用。K1表示的是體形系數，這里的體型指的是塔器本身的形狀，之前說過，塔器自身形狀以及表面積會影響到受風力的荷載力量，因此塔器的體型理應加入到風壓分布參數計算中。本次研究中，由于目標對象為塔器，因此當對塔器實施K1計算時，將fZ設定為高度變化系數，表示塔器本身高度對荷載應力產生的影響，將塔身高度這一因素計算在內；K1設定為0.5，這是一個參數取值，在公式計算中可直接使用0.5來做運算；K2i設定為風振系數，這屬于風力本身所產生的影響，將風本身的影響因素也歸為其中。

由此可見，風壓受到多種因素影響，例如塔器本身形體系數、高度變化、空氣密度、風速等等。其中，在風速的取值方面理應根據當地風速測量記錄合理選取，按照觀測資料選擇平均風速一年中的極大值。因此，平均風速極大值與風壓之間的關系并不會呈現出線性狀態。換言之，如果已經將平均風速極大值的分布參數計算出來了，也就是將q0的分布參數計算出來了。但由于塔器自身迎風面積的計算方式為線性尺寸的乘積，因此在具體可靠性強度設計中理應將其變差系數忽略掉，否則難以求出范圍值。由此不難看出，風壓與風荷載之間還是能夠看作是線性關系的，則當研究者得到了q0的分布參數之后，通過接下來的計算同樣能夠得到風荷載的分布參數。

結束語

風壓分布參數會受到多種因素影響，例如塔器本身高度、形狀以及表面積等，相關設計人員應在注重平均風速年極大值的分析基礎上統籌設計，讓參數分布更為合理化。

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