復雜山地環境下四塔組合特大型冷卻塔風致干擾效應研究

余文林， 柯世堂， 杜凌云

(南京航空航天大學 土木工程系，南京 210016)

隨著我國火/核電產業的迅速發展，一系列特大型冷卻塔陸續興建，其高度突破了現行《火力發電廠水工設計規范》(DL/T 5339—2006)[1]塔高165 m和《工業循環水冷卻設計規范》(GB/T 50102—2014)[2]塔高190 m的限值，布置形式由單塔向雙塔、群塔組合形式發展，并且所處地形亦需考慮周邊建筑和復雜山地的干擾。但規范缺少此類冷卻塔表面平均風壓分布和設計風荷載等取值參數條款，也并未針對群塔布置中塔體間的相互干擾和建筑環境及高大山體對塔體的干擾效應做出相關規定。同時，由于周邊環境的復雜性和非重復性，國內外鮮有學者對此類冷卻塔群的風荷載特性進行深入研究，從而導致設計人員不能充分預估周邊干擾效應的影響。

針對冷卻塔群風致干擾效應的研究，德國VGB規范[3]針對塔體-塔體及塔體-建筑物干擾工況給出了相關干擾因子的定義和取值建議；文獻[4]通過氣彈模型實驗進行了雙塔、三塔、高細桿和大廠房4種干擾工況研究，并分析了各工況下基于響應平均值、均方差和極大值的干擾因子分布規律；文獻[5-7]基于CFD(Computational Fluid Dynamics)數值模擬方法對考慮不同塔間距、組合形式和透風率等參數影響獲得了冷卻塔附近流場變化規律，進而總結歸納了冷卻塔的干擾效應；文獻[8-11]通過CFD和風洞實驗方法對山體環境下的冷卻塔等結構進行了對比研究，結果表明了山體等周邊環境將進一步增大群體結構表面平均和脈動風壓分布與單體結構之間的差異。現有成果鮮有針對復雜山地環境下的群塔組合特大型冷卻塔的風致干擾特性和機理進行研究。

鑒于此，以國內在建復雜山地環境下四塔組合特大型冷卻塔為工程背景，建立高精度的復雜地形、周邊建筑和冷卻塔群的三維實體足尺模型，基于CFD方法對不同來流風向角下考慮復雜山地四塔組合冷卻塔的周圍流場進行了數值模擬，并通過單塔表面風壓分布與規范及實測曲線的對比驗證了數值模擬的有效性。在此基礎上，對比分析了考慮復雜山地和周邊建筑干擾時冷卻塔表面最大負壓、基于最大負壓的干擾因子和平均風壓分布特性，同時通過對各塔最不利工況下周邊速度和渦量變化進行分析提煉出復雜山地和塔群之間的風致干擾機理。

1 工程概況

該工程冷卻塔塔頂標高為210 m，喉部標高157.5 m，進風口標高32.5 m，喉部內面直徑110 m，進風口內面直徑159 m，零米直徑為180 m，塔筒下部由52對X型支柱與環基相連。四塔組合采用典型的斜L型布置，各塔中心距均為冷卻塔塔底直徑的1.5倍(規范規定的最小塔間距)，且綜合考慮山體及構筑物的干擾能力和實驗的便捷性，選取以建筑2為圓心半徑為700 m范圍內的高度大于30 m的結構考慮其干擾效應，主要干擾建筑物高度如表1所示。電廠周邊存在環繞塔群的復雜山體，且山頂的最大高度達135 m，已接近冷卻塔的喉部高度，從理論上可能存在顯著的山地干擾效應。

定義冷卻塔A和B的中垂線方向為0°風向角，逆時針每隔22.5°為一個工況，共計16個工況。考慮到冷卻塔百葉窗的常規工作狀態，按30%透風率考慮百葉窗開啟效應，不同透風率的百葉窗開啟狀態對冷卻塔周圍流場的影響詳見文獻[12]。圖1給出了冷卻塔的結構示意圖和平面布置圖。

(a) 結構示意圖

(b) 平面布置圖圖1 冷卻塔結構示意圖和平面布置圖Fig.1 The structure diagram and plane layout of cooling towers

表1 主要干擾建筑物匯總表

2 CFD數值模擬及有效性驗證

2.1 計算域與網格劃分

為保證冷卻塔尾流能夠充分發展[13]，計算域尺寸設置為順風向80D×橫風向45D×豎向4H，其中D為冷卻塔零米直徑，H為塔高，計算模型中心距離計算域入口為5 000 m，模型最大堵塞度不超過2%。為了兼顧計算效率和精度，將整個計算域劃分為外圍區域和局部加密區域，外圍區域形狀規整，采用高質量的結構化網格進行劃分，局部加密區域內含冷卻塔、復雜山體和周圍建筑等模型，采用非結構化網格進行劃分。核心區最小網格尺寸為0.2 m，整體模型總網格數量超過5 000萬，網格最小正交質量大于0.4(要求大于0.1且杜絕出現負體積[14])，網格數目及質量均滿足計算要求。計算域及模型網格劃分如圖2所示(限于篇幅，僅給出0°來流風向角工況)。

圖2 計算域及模型網格劃分示意圖Fig.2 The sketch maps of computational field and model mesh

2.2 邊界條件與參數設置

計算域采用速度入口和壓力邊界出口，按照B類地貌設置大氣邊界層指數風剖面和湍流度剖面，將模擬的脈動風譜進行擬合，并與Davenport譜、Harris譜及Karman譜進行比較，可認為該風場模擬的脈動風譜滿足工程要求(見圖3)，其中地面粗糙度指數為0.15，10 m參考高度處的基本風速為23.7 m/s，并通過UDF(User Defined Function)文件定義上述脈動風場；地面以及冷卻塔表面采用無滑移壁面，頂部和側面采用等效于自由滑移壁面的對稱邊界條件。

數值計算采用3D單精度、分離式求解器，空氣風場選用不可壓縮流場，湍流模型選用雷諾平均方法中的SST模型，壓力速度耦合方程組求解采用SIMPLEC格式，對流項求解格式為二階，計算過程中設置了網格傾斜校正以提高混合網格計算效果，控制方程的計算殘差設置為1×10-6。

(a) 平均風剖面及湍流強度分布圖

(b) 脈動風譜對比圖圖3 B類風場模擬結果示意圖Fig.3 The result diagrams of wind field simulation of class B

2.3 單塔數值模擬與有效性驗證

考慮到單個冷卻塔的對稱性，本文僅進行了0°風向角試驗工況。圖4給出了單塔數值模擬結果圖，由圖可知：①平均壓力分布左右對稱且從迎風面到背風面呈現出先減小后增大直至平穩的分布規律，與規范類似；②氣流在冷卻塔頂部前緣發生流動分離且局部出現加速效應，持續發展后在背風面形成尾流渦旋以及回流。

圖5給出了單塔喉部斷面平均風壓系數與規范及實測曲線對比示意圖。分析可知，單塔喉部斷面平均風壓分布曲線的負壓極值點和分離點對應角度與規范和西熱曲線[15]一致，迎風和背風區域風壓系數數值吻合較好，側風區負壓在規范與西熱曲線之間。

圖4 單塔數值模擬結果示意圖Fig.4 The result diagrams of numerical simulation for single cooling tower

圖5 單塔喉部斷面數值模擬結果與規范及實測曲線對比示意圖Fig.5 Contrast diagram among numerical simulation, standard and actual measuremen result

3 山地環境下四塔組合數值模擬

3.1 干擾因子及分布規律

在國內外冷卻塔設計規范中，以德國VGB規范對冷卻塔群塔干擾因子的規定較為詳細，其群塔干擾因子的表達式為

(1)

式中：FI為干擾因子；Pg為群塔干擾參數；Ps為單塔參數。

文獻[16-17]研究表明：冷卻塔外表面最大負壓能直接反映群塔受風荷載的最不利干擾情況，適于作為指導復雜環境下群塔風荷載設計的干擾參數。故本文中基于最大負壓的干擾因子FI定義為

(2)

式中：FI為基于最大負壓的干擾因子；Cpq和Cpd分別為群塔和單塔的表面風壓系數；θ和z分別為冷卻塔的環向角度和子午向高度。

表2給出了復雜山地環境下四塔組合布置時不同風向角下各塔最大負壓值，圖6給出了各冷卻塔基于最大負壓的干擾因子數值及對應角度示意圖。由圖表可知：①各冷卻塔在不同風向角下的干擾因子數值均有不同，表明了復雜山地對冷卻塔群來流湍流和風壓分布模式的影響顯著；②塔A、塔B、塔C和塔D的最不利來流風向角下最大負壓值對應高度與山頂高度較為接近，其基于最大負壓的最大干擾因子分別為1.328、1.430、1.375和1.332，對應的最不利風向角依次為292.5°、247.5°、112.5°和157.5°；③本文最不利工況下基于最大負壓的干擾因子為1.43，是由塔B在247.5°來流風向角下引起，其與塔A、塔C和塔D的最不利工況下基于最大負壓的干擾因子相比分別大7.1%、3.8%和6.8%。

表2 各冷卻塔不同風向角下最大負壓值

3.2 平均風壓分布特性

基于圖6給出的四塔組合冷卻塔不同來流風向角下基于最大負壓的干擾因子數值及分布規律，發現考慮復雜山地環境各冷卻塔最不利風向角下基于最大負壓的干擾因子數值普遍較大，為分析其形成原因和給出相應機理解釋，圖7和圖8分別給出了各冷卻塔最不利風向角下三維壓力系數云圖和最大負壓截面壓力云圖。分析可知：①復雜山地對冷卻塔群風壓分布模式的影響顯著，各塔表面平均壓力系數的對稱性消失，但整體上仍滿足從迎風面到背風面呈現出先減小后增大直至平穩的分布規律；②不同風向角下同一冷卻塔表面平均風壓數值差異顯著，不同冷卻塔表面平均風壓分布亦有很大區別；③特定風向角下前塔對后塔的阻擋作用使得前后塔之間的相互干擾作用顯著，前塔的尾流作用影響了后塔的風壓分布，而后塔的風壓分布也將改變前塔的尾渦，使得前塔背風面會呈現正壓分布。

圖7 各冷卻塔最不利風向角下三維壓力系數云圖Fig.7 The contours of three-dimensional stress coefficient of every cooling tower under most unfavorable wind directions

圖8 各冷卻塔最不利風向角下最大負壓截面壓力云圖Fig.8 The stress contours of every cooling tower on the biggest pressure sections under most unfavorable wind directions

3.3 干擾機理研究

圖9～圖14分別給出了各冷卻塔最不利風向角下三維及典型截面速度流場圖、最大負壓截面速度矢量圖和最大負壓截面渦量圖，根據不同風向角下冷卻塔是否受復雜山體、周邊建筑和其它冷卻塔對來流風的影響，將冷卻塔分為受干擾塔和未干擾塔。由圖分析可知：

(1) 由于未干擾塔沒有受到上游干擾物的阻礙作用，來流在冷卻塔迎風面產生分離，沿塔筒外壁繞流且加速流經塔筒兩側，在背風面分離并形成大尺寸渦旋脫落，由于雙曲線型冷卻塔在喉部位置的頸縮，此時喉部斷面兩側加速流動更加顯著；而由于上游干擾物對來流的阻擋使得受干擾塔流動分離點偏離，氣流在干擾物與冷卻塔之間相互作用且流動紊亂，尤其以喉部位置最為顯著，同時在塔頂背風面區域形成大范圍渦旋脫落現象；

(2) 隨著高度的增加，周圍復雜山體和建筑物對冷卻塔干擾作用減小，但不同冷卻塔之間的相互干擾效應依然顯著，不同風向角下冷卻塔周圍流場差異顯著，但均在塔筒背風面產生回流以及尺度不同的渦旋；

(3) 考慮復雜山地環境和周邊建筑干擾時，各冷卻塔周邊渦量分布出現差異，主要體現在冷卻塔兩側和尾部出現了明顯了渦量增值區域，該區域對應渦旋形成區域，反應了由于大尺寸渦旋的產生導致此時湍流作用強度增大，進而使冷卻塔周圍流場流動更加紊亂；

(4) 復雜山地對冷卻塔群來流湍流和風壓分布模式的影響顯著，相關文獻[18-19]研究表明無復雜山地干擾時常見群塔干擾因子普遍小于1.4，而本文最不利工況下基于最大負壓的干擾因子達1.43，該工況為塔B在247.5°來流風向角下引起，分析原因是山體海拔較高且距離冷卻塔很近，復雜山體在該角度下形成低矮狹谷入口并改變了冷卻塔的來流湍流，同時塔C與建筑3之間形成的“夾道效應”使得來流風在夾道中速度增加且在夾道壁面之間相互碰撞與對流，進一步增強了塔B周圍流場的漩渦強度，高強度渦旋掠過塔B迎風面上升至近喉部標高側風區域，而冷卻塔近喉部位置的頸縮進一步促進了湍流增益，加速了漩渦脫落，最終顯著增大了塔筒側風面最大負壓數值。

圖9 塔A最不利工況(292.5°風向角)速度流場圖Fig.9 Diagrams of velocity flow field of cooling tower A under the most disadvantage condition

圖10 塔B最不利工況(247.5°風向角)速度流場圖Fig.10 Diagrams of velocity flow field of cooling tower B under the most disadvantage condition

圖11 塔C最不利工況(112.5°風向角)速度流場圖Fig.11 Diagrams of velocity flow field of cooling tower C under the most disadvantage condition

圖12 塔D最不利工況(157.5°風向角)速度流場圖Fig.12 Diagrams of velocity flow field of cooling tower D under the most disadvantage condition

圖13 各冷卻塔最不利風向角下最大負壓截面速度矢量圖Fig.13 Diagrams of velocity vector of every cooling tower on the biggest pressure sections under worst wind directions

圖14 各冷卻塔最不利風向角下最大負壓截面渦量圖Fig.14 Diagrams of vorticity of every cooling tower on the biggest pressure sections under worst wind directions

4 結 論

(1) 復雜山地環境的干擾比不考慮地形的群塔干擾影響更大：一方面山體海拔較高且距離冷卻塔很近時易在低洼處形成低矮狹谷入口，增強了冷卻塔群的來流湍流；另一方面周邊復雜環境會形成“夾道效應”，來流風在夾道中速度增加且在夾道壁面之間相互碰撞與對流，進而顯著增強了冷卻塔周圍流場的漩渦強度，而高強度渦旋掠過塔筒迎風面上升至近喉部標高側風區域，且冷卻塔近喉部位置的頸縮進一步促進了湍流增益與漩渦脫落，最終顯著增大了塔筒側風面最大負壓值。

(2) 在平均壓力系數方面，復雜山地對冷卻塔群風壓分布模式的影響顯著，各塔表面平均壓力系數的對稱性消失，且不同風向角下冷卻塔表面平均壓力系數差異顯著，同時在特定風向角下前塔對后塔的阻擋作用使得前后塔之間的相互干擾作用顯著，前塔的尾流作用影響了后塔的風壓分布，而后塔的風壓分布也將改變前塔的尾渦，使得前塔背風面會呈現正壓分布。

(3) 與不考慮周邊環境的群塔干擾相比，復雜山體將顯著增大冷卻塔群最大負壓值，進而增大其群塔干擾因子，由于復雜山體在低洼處形成的低矮狹谷和周邊建筑“夾道效應”的影響，本文四塔組合特大型冷卻塔在最不利來流風向角下基于最大負壓的干擾因子最大可達1.43，遠大于沒有復雜地形下工程常見群塔干擾因子，研究結論可為此類考慮復雜山地環境的特大型冷卻塔的群塔干擾因子取值提供參考。

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