不同導風裝置對超大型冷卻塔風壓特性影響研究

柯世堂, 朱 鵬

(南京航空航天大學 土木工程系,南京 210016)

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不同導風裝置對超大型冷卻塔風壓特性影響研究

柯世堂, 朱 鵬

(南京航空航天大學 土木工程系,南京 210016)

為研究不同導風裝置對超大型冷卻塔風壓分布特性的影響，通過風洞試驗對比研究了三種有導風裝置和無導風裝置的大型冷卻塔表面風壓分布特性，其中包括平均風壓、脈動風壓、峰值因子以及極值風壓等氣動參數，提煉出不同導風裝置對大型冷卻塔整體和局部風壓分布的影響規律，最后給出了不同導風裝置下冷卻塔極值風壓的擬合公式。結果表明：三種導風裝置均能有效減少塔筒中部負壓極值區域的平均風壓，同時也能有效減少塔筒迎風面中上部脈動風壓的根方差，尤其以弧形導風板效果最好；不同導風裝置均可有效減小塔筒中下部迎風面和負壓極值區域的風壓極值，尤其以弧形導風板效果最好；考慮不同導風裝置下大型冷卻塔迎風面、側風面和背風面峰值因子取值分別為3.29、3.41和3.50。

超大型冷卻塔；導風裝置；脈動風壓；峰值因子；極值風壓

大型雙曲冷卻塔作為火/核電廠重要構筑物，其抗風安全性能一直受到研究和設計人員的重視。自從1965年英國渡橋電廠三座冷卻塔在中等風速下風毀事故[1]發生以來，國內外很多學者對其表面風荷載分布特性[2-4]和群塔干擾效應[5-8]進行了深入研究，相關研究內容很好地支撐了大型雙曲冷卻塔的抗風設計。然而，已有研究成果均沒有考慮冷卻塔進風口導風裝置[9]的影響，更缺乏不同導風裝置對冷卻塔局部和整體風荷載影響的定性和定量研究，特別是表面極值風壓現已成為冷卻塔結構設計的控制載荷之一，其設計取值直接關系到冷卻塔的結構安全性能和整體造價。因此，對不同導風裝置下冷卻塔表面平均和極值風荷載分布特性的研究具有重要工程意義。

鑒于此，對內陸某核電超大型冷卻塔(高215 m)增設三種不同導風裝置，通過風洞試驗對比研究了三種不同導風裝置對表面平均風壓、脈動風壓、峰值因子及極值風壓等氣動參數的影響，提煉出不同導風裝置對大型冷卻塔整體和局部風壓分布的影響規律，并給出了不同導風裝置下冷卻塔極值風壓的擬合公式。相關結論可為超大型雙曲冷卻塔考慮導風裝置的設計風荷載取值提供科學依據。

1 風洞試驗

1.1 模型參數及測點布置

本文以內陸在建的某核電超大型冷卻塔為例，高度為215 m，塔頂外半徑53.2 m，喉部中面半徑49.5 m，進風口中面半徑78.1 m，通風殼體采用分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.3 m，塔底由48對均勻分布的人字柱支撐。按1∶500縮尺比制作冷卻塔剛體測壓模型，冷卻塔模型阻塞度小于5%。冷卻塔外表面沿其子午向和環向布置12×36共432個表面壓力測點。圖1給出了冷卻塔模型的測點布置與來流角度。

圖1 冷卻塔測點布置與來流角度Fig.1 Layout of cooling tower and angle of flow

1.2 導風裝置參數

圖2為無導風裝置和增設三種導風裝置的冷卻塔剛體測壓模型示意圖，三種導風裝置分別為外部進水槽、導風板和弧形導風板，每種導風裝置的詳細尺寸如圖3所示。簡稱無導風裝置為工況一，外部進水槽為工況二，導風板為工況三，弧形導風板為工況四。

圖2 不同導風裝置冷卻塔剛體測壓模型示意圖Fig.2 The sketches of cooling towers with different air-deflectors

圖3 不同導風裝置模型的詳細尺寸示意圖Fig.3 Detail sizes of different air-deflectors

1.3 雷諾數效應模擬

冷卻塔剛體測壓試驗所用風洞是一座具有串置雙試驗段的全鋼結構的閉口回流低速風洞[10]，主試驗段寬3 m，高2 m，長20 m。風速連續可調，最大風速可達45 m/s；測壓系統采用美國Scanivalve公司的電子掃描閥測壓系統。三角尖劈和地面粗糙元置于來流前部，用以模擬B類地貌的大氣邊界層。圖4給出了風洞試驗中B類流場實測的平均風剖面、湍流強度和脈動風譜，可見風場模擬的平均風剖面和規范比較吻合。同時將實測的脈動風譜進行擬合，并和Davenport譜、Harris譜及Karman譜進行對比，結果表明該風場模擬的脈動風譜滿足要求。

圖4 B類風場模擬參數結果示意圖Fig.4 Simulation parameters in terrain B

通過比較了多種改變表面粗糙度方案，最后確定采用在表面貼粗糙紙帶(沿圓周均勻分布間隔寬5 mm、厚0.1 mm，計36條豎向通長粗糙紙帶)和調整試驗風速(10 m/s)手段來模擬高雷諾數效應[11]。由圖5比較可知表面貼粗糙紙帶在10 m/s試驗風速下冷卻塔中間斷面平均表面壓力系數分布與規范[12]值吻合較好，后續不同導風裝置冷卻塔模型均采用該粗糙度。

圖5 單塔試驗結果與規范表面壓力分布對比圖Fig.5 Specifications for test results and comparison of surface pressure distribution

2 數據分析方法

物體表面的壓力通常用對應于參考點的無量綱壓力系數表示，該系數可按下式確定：

(1)

式中,Pi為作用在測點i處的壓力；P0、P+∞分別為試驗時參考高度處的總壓與靜壓。風壓符號規定為：表面壓力相對冷卻塔塔壁向內為正，向外為負。

體型系數為面上第i測點的平均風壓與該測點所屬表面面積Ai的乘積取加權平均得到，其值為:

(2)

建筑物表面的極值風壓系數可以用風壓系數的平均值和標準差來表示，即：

Cpext=Cpmean±gCprms

(3)

式中,Cpext，Cpmean和Cprms分別為風壓系數極值、平均和標準差，其值為表面壓力和參考壓力的比值，g為峰值因子。等式右端項取加號或減號分別為正向或負向極值風壓系數。

在高斯過程假定下，KE等[13]提出了峰值因子計算方法，其計算公式為:

(4)

式中,v為單位時間內數據穿越平均值的次數；T為樣本的時間長度。

3 結果分析

3.1 平均風壓

圖6 典型層測點壓力系數對比Fig.6 Comparison of pressure coefficient of typical layer points

圖6給出了塔筒表面四個典型斷面處的平均風壓系數分布曲線，圖7分別給出了塔筒在0°、70°、120°和180°四個典型角度的子午向體型系數分布曲線。對比發現：①不同導風裝置對塔筒迎風面壓力系數影響較小，但對側面與背風面風壓系數有明顯影響；增加導風裝置后冷卻塔在0°和70°子午向的塔筒下部區域體型系數差別較小，但在120°與180°子午向處均增大了體型系數，其中對180°子午向增大效果最為明顯，其增幅達到了16.3%；②施加導風裝置可有效減少塔筒中部區域70°子午向處的體型系數，其中工況二可減少約6.6%；③不同導風裝置僅對塔筒上部區域180°子午向處體型系數影響較大，對其他區域影響較小。分析表明增加導風裝置對70°子午向處表面平均風壓改善效果最好，可有效減少負壓極值區域體型系數。

圖7 不同導風裝置冷卻塔典型角度子午向體型系數分布曲線Fig.7 The shape coefficients under different meridian angles with different air-deflectors

3.2 脈動風壓

壓力系數的根方差是用來衡量脈動風壓能量大小的重要指標，圖8給出了四個工況下冷卻塔表面脈動風壓均方根隨環向角度與子午向高度變化云圖。

圖8 各工況下冷卻塔表面所有測點脈動風壓根方差分布云圖Fig.8 Four cases of RMS fluctuating wind pressure coefficient

由圖8可知，脈動風壓的分布規律與平均風壓結果有較大差別。其中工況一的脈動風壓根方差沿子午向與環向分布較為均勻，隨著環向角度的增大，脈動風壓先減小再增大，最后再減小并逐漸穩定，脈動風壓在塔筒兩側80°～100°之間達到極大值；隨著子午向高度的增大，迎風面脈動風壓數值逐漸增大，但在背風面則較為平穩。

四個工況脈動風壓均方根具有相似的變化規律，其中背風面測點的脈動風壓數值較接近；由于側面為分離區，脈動風壓系數明顯增大，但是增加導風板后可有效減少脈動風壓；不同導風裝置對于減少塔筒迎風面中上部脈動風壓根方差均有一定的效果，其中以工況四最為顯著。

3.3 峰值因子

文獻[14]通過對無導風裝置的冷卻塔脈動風壓研究得出峰值因子的取值一般在3.0～5.0之間，為了研究不同導風裝置對冷卻塔脈動風壓峰值因子取值的影響，本文基于高斯過程假定，采用KE等提出的峰值因子法，計算出各工況下每個測點的峰值因子，風壓時距T取值為600 s，并最終給出冷卻塔各工況峰值因子的參考取值。圖9給出了不同導風裝置下冷卻塔表面所有測點峰值因子的分布區間。

圖9 四個工況下冷卻塔表面所有測點峰值因子分布圖Fig.9 The peak factors for cooling towers with different air-deflectors

對比發現：不同工況下沿環向所有測點峰值因子的變化規律一致，且迎風面與背風面峰值因子數值差距明顯，其中背風面峰值因子要明顯大于環向其它區域，數值最大可達到3.6；迎風面下部由于導風裝置的干擾作用，使得大部分區域的峰值因子要大于其它高度的數值，隨著子午向高度增加，峰值因子呈現逐漸下降的趨勢。而背風面由于同時受到導風裝置與漩渦脫落的影響，峰值因子分布比較分散，數值變化較大；不同導風裝置均可明顯減小塔筒下部背風面的峰值因子。

為方便設計人員更合理選取峰值因子，表1給出了不同導風裝置冷卻塔表面不同區域峰值因子的平均值列表，同時圖10也給出冷卻塔環向分區和相應的峰值因子取值。

表1 四種工況下不同區域的峰值因子平均值Tab.1 Four conditions in different regions of average peak factor

圖10 冷卻塔環向分區峰值因子參考取值Fig.10 Reference value of peak factor in circular partition

3.4 極值風壓

現有冷卻塔設計規范和研究成果均沒有涉及不同導風裝置下冷卻塔表面風壓極值分布，圖11和圖12給出了四種工況下冷卻塔表面風壓系數極大值與極小值的分布云圖。

圖11 不同工況下冷卻塔表面風壓系數極大值分布云圖Fig.11 Four cases of maximum wind pressure coefficient

圖12 不同工況下冷卻塔表面風壓系數極小值分布云圖Fig.12 Four cases of minimum wind pressure coefficient

對比發現：四種工況下風壓系數最大值均發生在塔筒迎風面0°角位置，增加導風裝置對于塔筒上部風壓系數極大值影響較小，但是對塔筒中下部影響明顯；不同導風裝置均減少了迎風面風壓系數極大值，其中以工況二與工況四的效果最為明顯；不同導風裝置均可有效減少塔筒上部負壓極值區域的壓力系數極小值，以工況三效果較好；在負壓極值區域，工況四塔筒下部由于脈動風壓貢獻的減少，風壓系數極大值明顯減少，而在背風面區域，由于漩渦脫落和尾流的影響，使得背風面的負壓極值分布規律也變得紊亂。

綜合四個工況下的平均風壓系數，并考慮脈動風壓的影響，基于最小二乘法原理，以富氏級數展開式對體型系數極值分布曲線進行擬合：

(5)

計算發現當m≥7時，能夠取得良好的擬合效果，表2給出四中工況m=7時擬合式中參數ak和bk的取值，圖13給出了四種工況下擬合公式計算結果與試驗數據的對比曲線。

表2 擬合參數ak和bk數值列表Tab.2 Fitting parameter data of ak and bk

圖13 原始數據與擬合后數據對比Fig.13 Comparison between the raw data and the fit data

4 結 論

設計制作三種不同導風裝置和無導風裝置的超大型冷卻塔剛體模型，基于剛體測壓試驗結果研究了不同導風裝置對表面平均風壓、脈動風壓、峰值因子以及極值風壓的影響規律，相關結論可為超大型雙曲冷卻塔考慮導風裝置的抗風設計提供科學依據。具體結論如下：

(1)不同導風裝置均可有效減少塔筒中部區域70°子午向處的平均風壓，其中工況二效果最顯著，可減少約6.6%，不同導風裝置僅對塔筒上部區域180°子午向處平均風壓影響較大，對其它區域影響較小。不同導風裝置均可有效減小背風面的脈動風壓根方差，并且對于減少塔筒迎風面中上部脈動風壓根方差也有一定的效果，其中以工況四最為顯著。

(2)不同導風裝置均可明顯減小塔筒下部背風面的峰值因子，背風面峰值因子要明顯大于環向其它區域，數值最大可達到3.6，且隨著子午向高度增加，峰值因子呈現逐漸下降的趨勢。最終給出了不同導風裝置下冷卻塔峰值因子取值的環向分布圖。

(3)四種工況下風壓系數最大值均發生在塔筒迎風面0°角位置，增加導風裝置對于塔筒上部風壓系數極大值影響較小，但是對塔筒中下部影響明顯。不同導風裝置均減少了迎風面和負壓極值區域風壓系數極大值，其中以工況二與工況四的效果最為明顯。最終式(5)給出了不同導風裝置和無導風裝置下超大型冷卻塔表面極值風壓的擬合公式。

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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

國家自然科學基金(51208254);江蘇省優秀青年基金(BK20160083);中國博士后基金(2013M530255);江蘇省博士后基金(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