劉曉鵬 楊宗宇 劉鴻盛 朱庭樞

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

各國(guó)大型冷卻塔塔筒表面風(fēng)壓實(shí)測(cè)對(duì)比及展望

劉曉鵬 楊宗宇 劉鴻盛 朱庭樞

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

介紹了文獻(xiàn)可查各國(guó)大型冷卻塔塔筒表面實(shí)測(cè)平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)、塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比分析，指出有必要進(jìn)行全方位的冷卻塔表面風(fēng)荷載實(shí)測(cè)，以完整再現(xiàn)冷卻塔表面風(fēng)荷載繞流特性。

大型冷卻塔，平均風(fēng)壓系數(shù)，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，風(fēng)荷載

0 引言

風(fēng)荷載是雙曲線型高聳薄殼冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載之一，確切地給出冷卻塔表面實(shí)際風(fēng)荷載具有的重要意義。在強(qiáng)風(fēng)條件下，大型全尺寸冷卻塔雷諾數(shù)達(dá)到107級(jí)以上，一般在風(fēng)洞中難以實(shí)現(xiàn)，因此有必要開展全尺寸冷卻塔表面動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測(cè)量，它是研究冷卻塔實(shí)際風(fēng)壓分布的最直接和重要的途徑，也是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)方法和理論分析方法準(zhǔn)確與否的標(biāo)準(zhǔn)。故有必要對(duì)比分析各國(guó)歷次實(shí)測(cè)結(jié)果，以便對(duì)后來的冷卻塔塔筒表面風(fēng)壓實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn)研究提供幫助。

1 塔筒平均風(fēng)壓系數(shù)

國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究如有對(duì)Weisweile，Martin’s Greeks,Schemechausen等全尺寸冷卻塔表面風(fēng)壓實(shí)測(cè)，而我國(guó)也在20世紀(jì)80年代～90年代對(duì)茂名[1]、石景山[2]冷卻塔表面風(fēng)壓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。圖1列舉了文獻(xiàn)可查各國(guó)冷卻塔外表面平均風(fēng)壓實(shí)測(cè)曲線。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線在迎風(fēng)點(diǎn)(0°)附近幾乎沒有差距，主要區(qū)別是側(cè)風(fēng)區(qū)與尾流區(qū)：茂名實(shí)測(cè)值負(fù)壓極值約-1.5大于其余實(shí)測(cè)值；尾流壓力系數(shù)約-0.2，而其余各國(guó)實(shí)測(cè)值均在-0.4～-0.5之間。雖然塔筒表面平均風(fēng)壓系數(shù)各個(gè)國(guó)家存在一定的差異，但其沿圓周向分布規(guī)律基本得到了公認(rèn)，并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)與實(shí)測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，形成了現(xiàn)在的各國(guó)相關(guān)規(guī)范見圖2，表1。董銳[5]曾對(duì)235 m冷卻塔進(jìn)行了單塔測(cè)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示通過風(fēng)速大小及改變塔筒表面粗糙度等方式，可以實(shí)現(xiàn)在平均風(fēng)壓系數(shù)模擬較好的情況下，存在可選擇的多條脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)曲線。雖平均風(fēng)壓模擬比較完整，但如何選擇合適的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，是當(dāng)今風(fēng)洞試驗(yàn)存在的難點(diǎn)之一，故仍需大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持。

表1 各國(guó)規(guī)范外表面平均風(fēng)壓分布參數(shù)(無肋塔)

2 塔筒脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

同時(shí)文獻(xiàn)可查針對(duì)冷卻塔塔筒脈動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)有Sageau(1976)，Ruscheweyh(1979)、周良茂[2](1990)及趙林[3](2012)等，且我國(guó)近20年來僅趙林教授等[3]對(duì)徐州冷卻塔完成了實(shí)測(cè)工作。圖3對(duì)各國(guó)塔筒表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，包括Davenport在1966年脈動(dòng)風(fēng)壓風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，其中迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值均是按照平均風(fēng)壓系數(shù)為1.0得到的。

根據(jù)圖3可知：

1)周良茂脈動(dòng)曲線[2]迎風(fēng)點(diǎn)約0.25大于Sageau曲線，但兩者脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)整體趨勢(shì)基本一致；

2)Ruscheweyh脈動(dòng)風(fēng)壓曲線峰值點(diǎn)比Sageau(1976)，Ruscheweyh(1979)，周良茂(1990)等靠前10°；

3)趙林等[3]脈動(dòng)曲線實(shí)測(cè)值小于國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)值，其峰值壓力系數(shù)實(shí)測(cè)不到0.15，而其余實(shí)測(cè)值均在0.3～0.4之間，差別明顯。

趙林等[3]通過單塔風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，建立了不同來流紊流條件下的統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)公式：

其中，αk(Pu)為迎風(fēng)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)相關(guān)的八項(xiàng)式參數(shù)，k=0～7。該公式定性地解釋了各個(gè)國(guó)家脈動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)數(shù)值上的差異，因來流紊流度不同而存在差異。但還缺乏足夠數(shù)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，因而需要進(jìn)一步地針對(duì)冷卻塔進(jìn)行全尺寸的風(fēng)壓測(cè)量，補(bǔ)充并驗(yàn)證統(tǒng)一脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)公式的準(zhǔn)確性。

但就基本趨勢(shì)而言，脈動(dòng)風(fēng)壓分布模式亦可劃分迎風(fēng)區(qū)、側(cè)風(fēng)區(qū)及尾流區(qū)：迎風(fēng)區(qū)脈動(dòng)風(fēng)壓取決于來流風(fēng)紊流強(qiáng)度大小，隨著圓周角度增加而減??；側(cè)風(fēng)區(qū)脈動(dòng)風(fēng)壓先增大后減小，在80°～100°之間達(dá)到峰值，主要影響因素為側(cè)風(fēng)區(qū)漩渦脫落；尾流區(qū)脈動(dòng)風(fēng)壓基本上保持穩(wěn)定，其脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)為0.15以下。其中脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分別在平均風(fēng)壓的零值壓力點(diǎn)、尾流分離點(diǎn)區(qū)域附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，值得一提的是兩個(gè)拐點(diǎn)及峰值壓力系數(shù)出現(xiàn)的位置較平均壓力系數(shù)滯后10°左右。

3 內(nèi)表面動(dòng)態(tài)風(fēng)壓系數(shù)

國(guó)外對(duì)冷卻塔系統(tǒng)性研究多集中于1970s～1980s年代(歐美大規(guī)模電廠建設(shè)期)，可查相關(guān)資料并不多，而關(guān)于內(nèi)壓的實(shí)測(cè)資料就更有限。John Armitt[6]提到在West Burton測(cè)量塔中安置了測(cè)量?jī)?nèi)壓的儀器，但并未給出具體數(shù)值，只是講到內(nèi)壓環(huán)向分布非常的穩(wěn)定，而隨著塔高的增加而略有所變化，并以此作為參考?jí)毫碛?jì)算外表面壓力系數(shù)。

Diver and Paterson(1977)曾列舉1950s～1970s歐美主要國(guó)家規(guī)范所采用的內(nèi)壓系數(shù)，基本上在-0.4～-0.5之間。例如:德國(guó)VGB內(nèi)壓系數(shù)-0.5；若英國(guó)規(guī)范定義迎風(fēng)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)1.0，則相當(dāng)于內(nèi)壓系數(shù)-0.4；我國(guó)規(guī)范[4]中并未規(guī)定內(nèi)壓系數(shù)具體數(shù)值，但一般計(jì)算時(shí)均采用-0.5。

而1983年孫天風(fēng)等[1]對(duì)90 m高無肋冷卻塔進(jìn)行了塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓測(cè)量(如圖4所示)顯示：低來流風(fēng)速塔內(nèi)風(fēng)壓沿圓周向分布均勻，而強(qiáng)來流風(fēng)速，滿負(fù)荷及停運(yùn)時(shí)內(nèi)壓力系數(shù)分布并非均勻，且差異較為明顯。迎風(fēng)面(0°～60°)內(nèi)側(cè)負(fù)壓差異變化較大，而尾流區(qū)(110°～180°)內(nèi)側(cè)負(fù)壓差異不明顯。在此期間許多學(xué)者曾通過單塔塔筒內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示塔筒內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)較為穩(wěn)定，如李鵬飛等[7]。但均無法進(jìn)行冷卻塔在運(yùn)營(yíng)情況下內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，故未來如有條件可結(jié)合運(yùn)營(yíng)或停運(yùn)情況下原型塔內(nèi)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，補(bǔ)充并完善冷卻塔內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，對(duì)比分析了歷次冷卻塔內(nèi)外表面風(fēng)壓系數(shù)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：1)各國(guó)針對(duì)塔筒平均風(fēng)壓系數(shù)都進(jìn)行了詳盡的實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，其圓周向分布規(guī)律基本一致，且形成了各自規(guī)范。2)各國(guó)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)差異較大，側(cè)風(fēng)區(qū)脈動(dòng)壓力系數(shù)峰值相差2倍以上，仍需進(jìn)行大量的冷卻塔風(fēng)壓實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以補(bǔ)充并完善風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)則及修訂我國(guó)規(guī)范關(guān)于冷卻塔的相關(guān)規(guī)定。3)國(guó)外內(nèi)壓實(shí)測(cè)資料均提及內(nèi)壓系數(shù)沿環(huán)向均勻分布，但孫天風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指出強(qiáng)風(fēng)下迎風(fēng)區(qū)內(nèi)測(cè)壓力系數(shù)明顯大于被風(fēng)區(qū)壓力系數(shù)，故塔筒內(nèi)壓分布規(guī)律仍需進(jìn)行運(yùn)行、停運(yùn)條件下的原型實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

[1] 孫天風(fēng)，周良茂.無肋雙曲線型冷卻塔風(fēng)壓分布全尺寸測(cè)量和風(fēng)洞研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，1983(12)：26-27.

[2] 周良茂，李培華.兩個(gè)鄰近全尺寸雙曲型冷卻塔風(fēng)壓分布的測(cè)量[J].氣動(dòng)試驗(yàn)與測(cè)量控制，1992，6(3):37-44.

[3] 趙 林，劉曉鵬，高 玲，等.大型冷卻塔表面脈風(fēng)壓原型實(shí)測(cè)與分布準(zhǔn)則[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017，50(1):1-11.

[4] DL/T 5339—2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 董 銳，趙 林，葛耀君.雙曲圓截面冷卻塔塔壁粗糙度對(duì)其繞流動(dòng)態(tài)特性影響[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，2013，31(2)：250-259.

[6] John Armitt.Wind Loading on Cooling Towers[J].Journal of Stuctural Division，1980(8):32.

[7] 李鵬飛，趙 林，葛耀君，等.超大型冷卻塔風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2008,25(6):60-67.

On comparison of wind pressure measurements of tube surface at large cooling towers in different countries and its prospect

Liu Xiaopeng Yang Zongyu Liu Hongsheng Zhu Tingshu

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100095,China)

The paper introduces the average wind pressure coefficient, fluctuating wind pressure coefficient, surface wind pressure coefficient in the tower tube of the tube surface of large cooling towers in different countries which can be found in literature, undertakes the comparative analysis by combining with the existing regulations, and points out the whole-sided measurement of the surface wind loading of the cooling towers, so as to reflect the streaming features of the surface wind loading capacity.

large cooling tower, average wind pressure coefficient, fluctuating wind pressure coefficient, wind loading capacity

1009-6825(2017)05-0064-03

2016-12-04

劉曉鵬(1986- )，男，助理工程師

TU312.1

A