考慮流固耦合的變截面圓柱殼鋼塔風振分析

王希慧, 黃偉, 王進沛, 趙志宇, 張偉

(1.國機集團科學技術研究院有限公司, 北京 100020; 2.國機集團工程振動控制技術研究中心, 北京 100020; 3.中建一局集團華北建設有限公司, 天津 300450)

火力發電常會伴隨著大量的二氧化硫等有害產物,傳統的脫硫排煙工藝中,脫硫塔與煙囪是獨立的,為了減少對空氣的污染,要求發電廠提高排煙高度,進而產生了脫硫排煙一體式變截面圓柱殼鋼塔,即將煙囪直接設置在脫硫塔的頂部[1]。由于該塔煙囪與脫硫塔結合部位存在截面突變,削弱了剛度,增加了風致敏感性,導致結構在風荷載作用下極容易發生振動[2-3],甚至產生過大位移,對結構安全造成威脅,因此有必要對火電廠變截面圓柱殼鋼塔的風振響應進行研究,并明確其合理的性能評價指標。

風荷載是高聳結構設計的主要考慮因素,風洞試驗、現場實測和數值模擬等是風工程研究的主要方法[4-5]。在風洞試驗方面,國內外學者開展了大量的研究。Li等[6]研究了結構阻尼對太陽塔渦激振動響應的影響,專門設計了彈性測試模型,通過風洞試驗得到了橫風向的基本剪切力和彎矩。Liang 等[7]通過氣彈模型風洞試驗研究了300 m高煙囪的風致響應,并將粗糙的紙條連接到模型表面來獲得有效的高雷諾數流動。吳威等[8]通過數值風洞對超大型輸電高塔施工過程的抗風性能進行研究,驗證了強風作用下輸電塔抗風措施的有效性。

現場實測是研究風工程最可靠的方法,何宏明等[9]分別測量了觀測塔不同高度處風場的主要特征參數,結果表明湍流強度和陣風系數隨風速和高度的增大而減小,并且實測脈動風速功率譜密度與Von Karman譜相吻合。Miyata等[10]基于各向同性湍流理論,對強臺風期間日本Akashi-Kaikyo大橋的順風向脈動風的功率譜密度和空間相關性進行了分析研究。Ke等[11]首次在實際雷諾數和湍流條件下測量了某超大型冷卻塔的風振響應,研究了超大型冷卻塔的平均風效應、脈動風效應、動態放大系數和極限響應等。考慮非高斯特性的風致響應極值分布的影響,余瑋等[12]以某大型冷卻塔為研究對象,通過現場監測得到環境激勵下塔筒關鍵部位的加速度振動信號,結合隨機減量法和自然激勵技術對信號進行預處理,再通過模態識別方法獲取了冷卻塔前十階自振特性參數。

在數值計算方面,周費宏等[13]通過采用3種高雷諾數模型,對高層建筑標準模型在不同網格劃分、風場環境及風向條件下的流場特征進行了模擬,并用風洞試驗進行了驗證,結果表明RNGκ-ε模型的計算結果較為準確。季俊[14]通過ADINA軟件開展了考慮流固耦合效應的結構數值風洞計算,結果表明基于流固耦合的數值風洞模擬能夠更準確地反映結構風振響應規律。

現采用數值風洞方法,以火電廠變截面圓柱殼鋼塔作為研究背景,建立結構與風場耦合計算模型,計算變截面圓柱殼鋼塔在不同重現期脈動風速下的風振響應,并開展現場風振監測,對數值風洞方法計算結果的可靠性進行驗證。

1 數值風洞的構建

1.1 風場-結構耦合模型的建立

以赤峰市電廠項目脫硫排煙一體式變截面圓柱殼鋼塔作為研究背景,如圖1所示。塔體主要由底部脫硫塔與頂部煙囪組成,總高度為93 m,其中煙囪高約30 m。材料類型為Q235B,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為2.06×1011Pa。壁厚從底往上逐漸遞減,壁厚范圍為6～30 mm。上部煙囪直徑4 m,中部濕除擴大段塔體直徑12 m,下部塔體直徑10 m。根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[15]可知,地面粗糙度類別屬于B類,地面粗糙度系數為0.16,梯度風高度為350 m, 赤峰地區10、50和100年重現期基本風壓分別為0.30、0.55、0.65 kN/m2。

圖1 變截面圓柱殼鋼塔

基于流固耦合理論,利用ADINA有限元軟件,建立流體-結構耦合計算模型。為了滿足阻塞率的要求[16],流場域尺寸為200 m×200 m×130 m,如 圖2 所示。

圖2 考慮流固耦合作用的數值風洞

風場X負方向為流場進風口,X正方向為流場出風口。流場域入口采用速度邊界條件(velocity-inlet),同時風速沿高度方向以梯度風的形式施加,流場域出口采用完全發展的邊界條件(out-flow),流場域底部、頂部及側面采用固定邊界條件(wall),鋼塔與風場相互作用面設置為流固耦合邊界(fluid-structure interface)。風場的單元類型為3D-Fluid,空氣密度為1.225 kg/m3,黏性系數為1.78×105kg/(m·s)。

為了使計算結果更具參考價值,按照脫硫排煙一體式變截面鋼塔實際尺寸建立結構有限元模型。結構單元類型選擇適用于薄壁的殼單元,本構關系采用考慮塑性強化的雙折線模型[17]。由于鋼塔結構壁厚沿高度方向逐漸減小,因此采用分區建模的方式形成壁厚變化的結構模型。

1.2 脈動風速時程模擬

脈動風速的合理性對于風振響應的分析非常重要,基于自回歸模型(autoregressive model,AR)方法,采用MATLAB軟件編譯適用于鋼塔結構的脈動風速時程曲線,其中平均風速基于當地場地環境條件以及國家規范確定[15],脈動風速譜采用隨機序列產生。由風速風壓換算公式[式(1)]計算可知,赤峰市地區10、50和100年重現期10 m高度處 10 min 內平均風速分別為22.13、29.97和32.58 m/s,頻率取值范圍為0.001～6 Hz,通過Davenport譜模擬得到的赤峰地區不同重現期脈動風速譜。

(1)

式(1)中:ω0為風壓,Pa;ν0為風速,m/s;ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3。

同時,為驗證應用AR自回歸法模擬脈動風速譜的準確性[18],將模擬功率譜和目標譜(Davenport譜)做對比。以50年重現期部分脈動風速時程和功率譜密度為例,如圖3所示。

圖3 50年重現期風速與功率譜密度

從圖3(a)可以看出,模擬風速圍繞平均風速上下波動,從圖3(b)可以看出,應用AR自回歸方法模擬的脈動風速功率譜與目標譜(Davenport譜)基本一致,表明兩者擬合情況良好,說明了采用AR自回歸法對自然脈動風速的模擬是可靠有效的,且未發生脈動風速時程失真的現象。

2 風振響應分析

以50年重現期風速作用下結構動力響應為例,提取變截面圓柱殼鋼塔頂部位移、加速度以及距底部1 m高度處應力的動力響應時程結果,如圖4所示。可以看出,在脈動風作用下,結構產生往復運動。為了進一步研究結構的風振特點,提取不同風速作用下結構沿高度方向的位移和應力響應峰值,并繪制成包絡線,如圖5所示。

圖4 50年重現期風速作用下風振時程

圖5 結構風振響應峰值包絡線

從圖5(a)可以看出,加速度沿著高度方向逐漸增大,曲線斜率在過渡段位置產生輕微突變,且上部塔體加速度與高度呈線性關系,風速越大,結構的加速度響應越大,其中50年與100年重現期風速作用下結構加速度響應包絡線比較接近。

從圖5(b)可以看出,位移響應峰值同加速度變化規律一致,沿著高度方向逐漸增大,越靠近頂部增長越快。風速越大,結構的位移響應越大,其中50年與100年重現期風速作用下結構響應包絡線差別不是很大,但都沒有超過結構的規范位移限值[19]。

從圖5(c)可以看出,應力沿高度方向呈現逐漸減小的趨勢,且在過渡段由于截面的突變,應力發生突變,產生應力集中現象。風速越大,應力越大,不同風速下的應力在底部差別最大,在除塵擴大段差別最小,50年與100年重現期風速作用下的結構峰值應力超過材料許用應力值。

綜上所述,對于火電廠脫排一體式變截面圓柱殼鋼塔的抗風設計,底部與過渡段位置以應力控制為主,頂部以位移控制為主。

3 現場風振監測

目前,火電廠脫硫排煙一體式變截面鋼塔設計主要依賴于工程經驗,缺乏相應的理論和適用規范。為了驗證數值風洞計算方法的可靠性,開展了現場風振監測。利用風速儀采集現場風速,利用振動監測系統監測在該風速下脫硫塔沿高度方向的風振響應。同時將現場采集風速輸入模型,將現場監測結果與數值模擬結果進行對比。

3.1 現場監測布置

風振監測采集系統采用的是D1000動態信號數據分析系統,支持16通道,內置獨立的24 bit ADC,每通道最高以128 kHz的采樣頻率同步采樣,內置程控放大器和濾波器,可完成多種傳感器信號的高速采集。傳感器采用的是適用于低頻振動測量的941B型拾振器,現場儀器布置如圖6所示。

圖6 現場監測布置

根據現場監測條件,分別在塔體背風面沿高度方向30、40、50 m標高處設置3個測點,編號依次為1#～3#。由于外保溫層柔度較大,為了更好反映塔身的振動,將傳感器固定在塔體加勁肋上,以使其與塔身能夠保持同步運動。

3.2 監測與模擬結果對比

現場實測底部、中部和頂部的平均風速依次為3、7和9 m/s, 沿高度方向呈梯度分布規律,根據現場風速分布特點,設置與現場風速分布規律一致的梯度風作為入口邊界條件,如圖7所示。

圖7 入口梯度風速分布

依據現場10 m高度處監測到的平均風速(4 m/s),通過AR自回歸模型法生成現場脈動風速,并將脈動風速輸入數值風洞進行計算,提取與 3# 測點相同位置數值模擬的位移時程結果,并與監測結果做對比,如圖8所示。可以看出,3#測點的監測與數值模擬位移時程變化曲線較為吻合,計算不同測點的監測與模擬平均位移幅值,如表1所示,由于現場監測環境振動較為復雜,數值模擬只考慮了風荷載的影響,因此監測結果整體大于數值模擬結果,各測點的最大誤差在15%以內,說明數值風洞的計算結果是合理的,采用流固耦合計算能較為準確地分析復雜薄壁圓柱殼鋼塔在風荷載作用下的動力響應。

表1 監測與模擬平均位移幅值對比

圖8 監測與模擬位移時程結果對比(3#測點)

4 結論

利用數值風洞和現場監測的方法研究了火電廠變截面圓柱殼鋼塔在不同重現期風速作用下的振動響應,主要得出以下結論。

(1)基于流固耦合理論,建立了結構場與流場計算模型,利用數值風洞的方法模擬了變截面圓柱殼鋼塔的風振響應,并通過現場監測證明了模擬結果的可靠性,為復雜高聳薄壁結構的流固耦合分析提供了參考。

(2)在脈動風作用下,變截面鋼塔做往復運動,位移響應幅值沿著高度方向逐漸增大,在變截面處曲線增長速率變小,風速越大,結構的位移響應越大,但是50年與100年重現期風速作用下結構響應差別不是很大,總體上都沒有超過規范位移限值。

(3)從應力水平來看,總體上應力沿高度方向逐漸減小,且在變截面處存在應力突變。風速越大,應力峰值越大,沿著高度方向不同風速下的應力差別越來越小,其中50年和100年重現期風速作用下超過材料許用應力值,在抗風設計中底部和變截面處以應力控制為主。