王 浩, 柯世堂
(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,南京 210016)
歷史上曾多次出現(xiàn)冷卻塔群在風(fēng)荷載作用下倒塌的事故[1-2],調(diào)查表明[3]此類(lèi)風(fēng)毀事故往往最先破壞于冷卻塔表面風(fēng)壓峰值區(qū),由此引起的塔筒局部損壞將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)進(jìn)一步整體毀壞。塔群干擾對(duì)冷卻塔局部風(fēng)壓的影響可能是加劇此類(lèi)風(fēng)毀事故發(fā)生的重要原因之一,現(xiàn)階段我國(guó)大型冷卻塔建設(shè)多以超高大和復(fù)雜塔群組合為特點(diǎn),其中尤以四塔組合形式最為常見(jiàn)。因此,研究典型四塔組合形式下冷卻塔群局部風(fēng)壓的干擾效應(yīng)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
針對(duì)雙塔組合冷卻塔群干擾效應(yīng),文獻(xiàn)[4]通過(guò)一系列測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)探討了雙塔組合下周邊建筑物對(duì)冷卻塔的干擾效應(yīng);文獻(xiàn)[5-7]基于剛體測(cè)壓試驗(yàn)和氣彈測(cè)振試驗(yàn)等手段研究了雙塔干擾下冷卻塔整體、局部風(fēng)壓干擾因子分布規(guī)律,以及整體力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律。針對(duì)多塔組合冷卻塔群干擾效應(yīng),文獻(xiàn)[8-10]分別針對(duì)特定布置形式的三塔、四塔和八塔組合進(jìn)行了測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)研究,基于試驗(yàn)結(jié)果分析了不同群塔組合形式下冷卻塔的干擾因子取值,以及塔群組合形式下冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)特性。然而,已有塔群組合方案均是針對(duì)特定工程背景,且研究對(duì)象主要集中于冷卻塔整體氣動(dòng)力系數(shù),對(duì)于局部風(fēng)壓干擾特性的研究較少,尚未形成可直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的規(guī)律性成果。
鑒于此,以在建世界最高冷卻塔為研究背景,系統(tǒng)進(jìn)行了四塔串列、矩形、菱形、L形和斜L型等常見(jiàn)組合方案下的測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)?;陲L(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,提煉出塔群局部風(fēng)壓靜力和動(dòng)力干擾因子的分布特性,分析了不同四塔組合形式對(duì)冷卻塔平均和脈動(dòng)風(fēng)壓分布模式的影響規(guī)律,最終基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和HHT(Hilbert-Huang Transform)方法對(duì)局部風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行了分解和時(shí)頻聯(lián)合譜特性分析。主要結(jié)論可為此類(lèi)特大型冷卻塔群四塔組合方案的選取提供科學(xué)參考。
該在建冷卻塔總高220 m,喉部標(biāo)高165 m,進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高30.75 m,底部直徑185 m,塔筒由64對(duì)X型支柱與環(huán)板基礎(chǔ)連接。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P桶?∶450縮尺比制作,為詳細(xì)獲取冷卻塔表面風(fēng)壓分布模式,塔筒共布置12層外壓測(cè)點(diǎn),每層沿環(huán)向順時(shí)針均勻布置36個(gè)測(cè)點(diǎn),總計(jì)432個(gè)測(cè)點(diǎn)。冷卻塔的幾何尺寸及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。
(a) 幾何尺寸
(b) 測(cè)點(diǎn)布置
試驗(yàn)用風(fēng)洞是一座具有串置雙試驗(yàn)段的全鋼結(jié)構(gòu)閉口回流低速風(fēng)洞,主試驗(yàn)段寬5 m、高4.5 m,風(fēng)速連續(xù)可調(diào),最高穩(wěn)定風(fēng)速可達(dá)30 m/s。試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的B類(lèi)地貌模擬[11],風(fēng)場(chǎng)模擬的主要指標(biāo)為平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)譜等。三角尖劈和地面粗糙元置于來(lái)流前端用以模擬相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng),模擬結(jié)果見(jiàn)圖2??梢?jiàn)風(fēng)場(chǎng)模擬較好,滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。
(a) 平均風(fēng)速剖面
(b) 湍流度剖面
(c) 脈動(dòng)風(fēng)譜
風(fēng)洞試驗(yàn)中模型的雷諾數(shù)與原型結(jié)構(gòu)相差約2~3個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)冷卻塔這類(lèi)圓截面構(gòu)筑物進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)需采取措施以進(jìn)行雷諾數(shù)效應(yīng)修正。Farell等[12-13]研究表明可通過(guò)提高表面粗糙度對(duì)模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
試驗(yàn)中共測(cè)試了如下七種表面粗糙度工況:①光滑、②均勻粘貼1層、③均勻粘貼2層、④間隔粘貼2/3層、⑤均勻粘貼3層、⑥間隔粘貼3/4層、⑦均勻粘貼4層粗糙紙帶。其中,紙帶沿子午向等間距粘貼36條。圖3列出了不同表面粗糙度下冷卻塔喉部體型系數(shù)分布曲線(xiàn),并與規(guī)范曲線(xiàn)[14]進(jìn)行對(duì)比。由圖3可見(jiàn),均勻粘貼4層粗糙紙帶可以較好地實(shí)現(xiàn)冷卻塔雷諾數(shù)效應(yīng)模擬,最終模擬措施如圖4所示。其中,本文試驗(yàn)均以30%透風(fēng)率考慮運(yùn)行狀態(tài)下的百葉窗開(kāi)啟效應(yīng)[15]。
圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)體型系數(shù)與目標(biāo)曲線(xiàn)對(duì)比圖
群塔試驗(yàn)包括雙塔和串列、矩形、菱形、L形、斜L型四塔共6類(lèi)工況,每種布置方案各工況風(fēng)向角間隔22.5°(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))。冷卻塔塔間距均為2D,其中D為塔底直徑。為更準(zhǔn)確地反映冷卻塔在電廠(chǎng)中受到的干擾效應(yīng),參考實(shí)際工程布置了多個(gè)周邊干擾建筑,各工況具體平面布置及冷卻塔位置信息見(jiàn)圖5所示。群塔工況中最大阻塞率為3.22%,滿(mǎn)足現(xiàn)行風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[16]中的要求。
圖4 雷諾數(shù)效應(yīng)模擬示意圖
(a) 雙塔
(b) 串列四塔
(c) 矩形四塔
(d) 菱形四塔
(e) L形四塔
(f) 斜L形四塔
為反映組合形式對(duì)冷卻塔表面局部風(fēng)壓的干擾效應(yīng),選擇“最小負(fù)壓系數(shù)”和“最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)”作為干擾因子的衡量標(biāo)準(zhǔn)。局部風(fēng)壓靜力干擾因子(Wind Pressure Static Interference Factor,WSIF)和動(dòng)力干擾因子(Wind Pressure Dynamic Interference Factor,WDIF)計(jì)算公式為
WSIF=max(|Cp_infer|)/max(|Cp_iso|)
(1)
WDIF=max(|rmsp_infer|)/max(|rmsp_iso|)
(2)
式中:max(|Cp_infer|)和max(|Cp_iso|)分別為群塔和單塔工況下的冷卻塔表面所有測(cè)點(diǎn)中最小平均風(fēng)壓系數(shù);max(|rmsp_infer|)和max(|rmsp_iso|) 分別為群塔和單塔工況下表面所有測(cè)點(diǎn)中最大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。
表1給出了不同方案下冷卻塔群最大WSIF和WDIF及其發(fā)生的位置信息,對(duì)比發(fā)現(xiàn):① 兩種干擾因子受四塔組合形式影響并不完全一致,WDIF數(shù)值偏大,WSIF偏?。虎?典型四塔組合中,對(duì)局部風(fēng)壓靜力干擾最大的布置方式是斜L形方案,影響最小是菱形方案;對(duì)局部風(fēng)壓動(dòng)力干擾最大的布置方式是菱形方案,最小的是斜L形方案;③ 四塔組合中局部風(fēng)壓受干擾效應(yīng)影響最大的塔均為中間塔,其中2#塔的干擾效應(yīng)尤為顯著。后續(xù)局部風(fēng)壓分布特性和信號(hào)分析均基于2#塔結(jié)果進(jìn)行。
表1 各布置形式下塔群最不利工況干擾因子列表
圖6給出了雙塔和串列四塔布置WSIF和WDIF沿風(fēng)向角分布圖。由圖6可知:① 當(dāng)冷卻塔群相對(duì)來(lái)流風(fēng)處于并列布置時(shí),局部風(fēng)壓靜力干擾較大,動(dòng)力干擾較小,增加的兩干擾塔將導(dǎo)致2#塔受到更為顯著的局部風(fēng)壓干擾;② 當(dāng)冷卻塔群相對(duì)來(lái)流風(fēng)處于串列布置時(shí),受“遮擋效應(yīng)”的影響,WSIF急劇減小,而WDIF出現(xiàn)激增現(xiàn)象;③ 結(jié)合表1可知單排串列布置時(shí)風(fēng)壓干擾效應(yīng)的控制工況發(fā)生于中間塔,冷卻塔數(shù)量的增加對(duì)最大干擾因子數(shù)值大小的影響顯著。
(a)雙塔布置(b)串列四塔
圖6 雙塔和串列四塔布置工況下風(fēng)壓干擾因子沿風(fēng)向角分布圖
Fig.6 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under layouts of two towers and four towers in row
圖7給出了矩形和菱形四塔布置WSIF和WDIF沿風(fēng)向角分布圖。對(duì)比圖7與圖6(a)可知,菱形和矩形布置增加的雙塔在0°~67.5°和292.5°~360°風(fēng)向角下對(duì)2#塔局部風(fēng)壓干擾效應(yīng)影響微弱,在90°~270°風(fēng)向角下影響較大。矩形和菱形兩種方案最大干擾因子發(fā)生位置較接近,3#塔和4#塔位置的改變對(duì)局部風(fēng)壓靜力干擾效應(yīng)較小,但菱形布置時(shí)2#塔WDIF較矩形布置大。
(a)矩形四塔(b)菱形四塔
圖7 矩形和菱形布置工況下風(fēng)壓干擾因子沿風(fēng)向角分布圖
Fig.7 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under rectangular arrangement and lozenge arrangement
圖8給出了L形和斜L形四塔組合WSIF和WDIF沿風(fēng)向角分布圖。分析可得:① 180°~360°風(fēng)向角內(nèi),L形四塔與雙塔組合風(fēng)壓干擾因子分布較為吻合,增加的兩塔對(duì)受擾塔的干擾作用主要體現(xiàn)在22.5°~157.5°風(fēng)向角內(nèi);② 不同風(fēng)向角下斜L形組合WSIF的數(shù)值和分布規(guī)律與串列形式十分接近,而WDIF差異較大,說(shuō)明4#塔相對(duì)位置的改變對(duì)2#塔局部風(fēng)壓靜力干擾影響微弱,但對(duì)局部風(fēng)壓脈動(dòng)值的影響顯著。
圖8 L形和斜L形四塔布置工況下風(fēng)壓干擾因子沿風(fēng)向角分布圖
Fig.8 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under L-shaped arrangement and oblique L-shaped arrangement
2.2.1 平均風(fēng)壓
圖9給出了單塔和不同群塔組合最大WSIF工況平均風(fēng)壓系數(shù)三維分布圖,其中圖標(biāo)括號(hào)內(nèi)為該工況發(fā)生的風(fēng)向角。圖9(a)給出了單塔工況平均風(fēng)壓系數(shù)分布,對(duì)比可知:① 雙塔組合最不利工況平均風(fēng)壓分布與單塔基本一致(忽略來(lái)流風(fēng)向角的區(qū)別),但塔筒喉部附近出現(xiàn)了明顯的局部風(fēng)壓激增現(xiàn)象(文中對(duì)負(fù)壓數(shù)值大小的描述均針對(duì)的是負(fù)壓絕對(duì)值),對(duì)應(yīng)此時(shí)的WSIF達(dá)到1.10;② 串列和斜L形布置下,冷卻塔表面風(fēng)壓分布規(guī)律與單塔幾乎一致,但“狹縫效應(yīng)”導(dǎo)致負(fù)壓極值區(qū)和背風(fēng)區(qū)負(fù)壓均有明顯的增大,局部增幅可達(dá)40%;③ 矩形和菱形布置時(shí),干擾效應(yīng)對(duì)局部平均風(fēng)壓分布的影響較微弱;④ L形方案對(duì)冷卻塔平均風(fēng)壓分布的影響程度介于上述四種方案之間,主要影響區(qū)域位于負(fù)壓極值區(qū),局部最大增幅約20%。
綜上所述,不同塔群布置對(duì)冷卻塔局部最大正壓的改變很小,塔群局部風(fēng)壓干擾影響區(qū)域主要是最小負(fù)壓區(qū)和背風(fēng)區(qū)。群塔布置下負(fù)壓區(qū)局部平均風(fēng)壓相對(duì)單塔均有不同程度的增大,且存在如下大小關(guān)系:斜L形>串列>L形>矩形>菱形>雙塔。不同群塔方案最小負(fù)壓點(diǎn)均發(fā)生于喉部位置,僅環(huán)向角度有所差異。
(a) 單塔
(b) 雙塔(315°)
(c) 串列四塔(0°)
(d) 矩形四塔(202.5°)
(e) 菱形四塔(247.5°)
(f) L形四塔(0°)
(g) 斜L形四塔(0°)
2.2.2 脈動(dòng)風(fēng)壓
圖10給出了單塔和不同群塔形式最大WDIF工況脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布云圖。圖10(a)中給出了單塔脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布,可以發(fā)現(xiàn)單塔脈動(dòng)風(fēng)壓分布具有較明顯的軸對(duì)稱(chēng)特性,70°~90°風(fēng)向角范圍內(nèi)出現(xiàn)第一個(gè)峰值區(qū)域,隨著環(huán)向角度的增加脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)迅速下降。以上分布特性主要適用于塔筒中部和上部,而塔筒下部并未出現(xiàn)明顯的峰值區(qū)域,且脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在分離點(diǎn)附近出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象。沿高度方向,自喉部高度往上脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的峰值區(qū)域逐漸減小。
對(duì)比圖10(b)~圖10(g)與圖(a)可以發(fā)現(xiàn):① 群塔布置下表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱(chēng)性,尤以串列形式最為明顯;② 群塔干擾對(duì)冷卻塔下部的脈動(dòng)風(fēng)壓分布影響較大,這一區(qū)域的脈動(dòng)局部風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值和分布規(guī)律均與單塔差異明顯,需引起注意;③ 除串列布置外,其他群塔方案冷卻塔頂部均位于脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)峰值區(qū)域。
綜上所述,塔群布置對(duì)冷卻塔下部和頂部的局部脈動(dòng)風(fēng)壓影響較大,這是由于群塔間相互干擾導(dǎo)致冷卻塔“端部效應(yīng)”進(jìn)一步放大。不同塔群方案局部脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)均相對(duì)單塔有明顯增大,且存在如下大小關(guān)系:菱形>串列>L形>矩形>斜L形>雙塔。
2.3.1 概率密度分布
風(fēng)工程研究中,通常假設(shè)風(fēng)壓信號(hào)符合高斯分布,高斯信號(hào)的概率密度分布函數(shù)可以完全由前兩階統(tǒng)計(jì)矩(數(shù)學(xué)期望和方差)來(lái)描述。非高斯信號(hào)通常采用三階(斜度skewness)和四階(峰態(tài)kurtosis)統(tǒng)計(jì)量對(duì)其概率密度函數(shù)的特征進(jìn)行描述[17-18]。圖11給出了單塔最小負(fù)壓信號(hào)和喉部分離點(diǎn)風(fēng)壓信號(hào)的概率密度函數(shù)分布圖。由圖11可見(jiàn),單塔最小負(fù)壓信號(hào)近似呈現(xiàn)高斯分布,而喉部分離點(diǎn)風(fēng)壓信號(hào)與高斯分布偏離較大,斜度值(-0.848)和峰態(tài)值(4.449)明顯偏離高斯分布的斜度值(0)和峰態(tài)值(3.0),這與相關(guān)學(xué)者已開(kāi)展的單塔風(fēng)壓非高斯研究的結(jié)果是接近的。
(a) 單塔
(b) 雙塔(270°)
(c) 串列四塔(67.5°)
(d) 矩形四塔(180°)
(e) 菱形四塔(157.5°)
(f) L形四塔(135°)
(g) 斜L形四塔(270°)
(a)最小負(fù)壓點(diǎn)(b)喉部分離點(diǎn)
圖11 單塔工況典型測(cè)點(diǎn)信號(hào)的概率密度分布圖
Fig.11 The probability density curves of signal of typical measuring point under single condition
對(duì)不同群塔方案最不利工況典型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)表明,塔群干擾對(duì)冷卻塔最小負(fù)壓信號(hào)的概率密度分布影響較小。圖12給出了各雙塔和5種四塔組合方案最不利工況下冷卻塔最小負(fù)壓信號(hào)概率密度曲線(xiàn)。由圖可知,雙塔和串列組合與單塔最為接近,矩形和菱形方案對(duì)最小負(fù)壓信號(hào)概率密度分布的影響十分接近。
2.3.2 風(fēng)壓信號(hào)的分解與時(shí)頻分析
已有研究[19-20]表明HHT方法是一種提取信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)的良好方法,將復(fù)雜信號(hào)直接分離為從高頻到低頻的若干階固有模態(tài)函數(shù)(IMF分量)。
(a) 雙塔(315°)
(b) 串列四塔(0°)
(c) 矩形四塔(202.5°)
(d) 菱形四塔(247.5°)
(e) L形四塔(0°)
(f) 斜L形四塔(0°)
首先采用EMD方法對(duì)不同群塔布置最不利工況下局部最小負(fù)壓信號(hào)進(jìn)行分解,限于篇幅,文中僅給出雙塔、菱形和斜L形方案結(jié)果如圖13所示(圖中不同分量縱坐標(biāo)范圍均為-0.5~0.5)。局部風(fēng)壓信號(hào)經(jīng)EMD分解后會(huì)得到的一系列IMF分量,每一個(gè)IMF分量都有不同振幅和頻率,分解順序按頻率從高到低進(jìn)行。C1即局部風(fēng)壓信號(hào)中的最高頻信號(hào),一般為包含的噪聲或其他干擾信號(hào),Cn表示局部風(fēng)壓信號(hào)經(jīng)EMD分解后的第n個(gè)頻率分量。由圖13可知,不同工況最小負(fù)壓信號(hào)分解后均有11個(gè)IMF分量,但菱形方案的IMF分量在中間頻率段的振幅明顯大于其他兩種工況,而雙塔工況僅在最低頻振幅較大,對(duì)比可知菱形布置將導(dǎo)致冷卻塔局部最小負(fù)壓信號(hào)出現(xiàn)更為明顯的大脈沖特性。
(a) 雙塔組合
(b) 菱形四塔
(c) 斜L形四塔
圖14給出了基于HHT方法得到的各工況局部最小負(fù)壓信號(hào)時(shí)頻分布圖。根據(jù)已有研究可知Hilbert能量譜能更清晰的表明信號(hào)能量隨時(shí)頻的具體分布,從二維Hilbert時(shí)頻譜中能更清晰地確定信號(hào)能量的集中頻段和時(shí)間段。由圖14可知,不同方案最小負(fù)壓信號(hào)的能量均主要集中在低頻0.1 Hz以下,且不同時(shí)間段分布較為平穩(wěn);雙塔和斜L形布置時(shí)風(fēng)壓信號(hào)能量分布比較集中,而菱形布置時(shí)局部風(fēng)壓信號(hào)由于存在間斷性的大脈沖特性且能量分布更為分散。
(a) 雙塔組合
(b) 菱形四塔
(c) 斜L形四塔
以工程中最常見(jiàn)的串列、矩形、菱形、L形和斜L型五種四塔組合方案為例,系統(tǒng)研究了四塔組合形式對(duì)局部風(fēng)壓干擾效應(yīng)的影響規(guī)律。首先,基于剛體測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析了典型四塔組合形式局部風(fēng)壓干擾因子的分布規(guī)律,研究了不同四塔組合方案對(duì)冷卻塔局部風(fēng)壓分布模式的影響。在此基礎(chǔ)上,對(duì)最不利工況典型局部風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)和時(shí)頻譜聯(lián)合分析。得到如下主要結(jié)論:
(1) 不同四塔組合方案均為中間塔的局部風(fēng)壓受干擾效應(yīng)影響最大,其中2#塔的局部風(fēng)壓干擾效應(yīng)最為顯著,說(shuō)明實(shí)際工程中后續(xù)冷卻塔建設(shè)對(duì)已建塔的風(fēng)壓放大作用不容忽視。
(2) 不同四塔組合形式塔群干擾效應(yīng)對(duì)冷卻塔局部最大正壓的改變較小,局部平均風(fēng)壓受影響區(qū)域主要集中于最小負(fù)壓區(qū)和背風(fēng)區(qū);不同四塔組合布置下負(fù)壓區(qū)局部平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值相對(duì)單塔均有不同程度的增大,固定塔間距下存在的大小關(guān)系為斜L形>串列>L形>矩形>菱形。
(3) 不同四塔組合塔群干擾效應(yīng)對(duì)冷卻塔端部局部脈動(dòng)風(fēng)壓的分布模式和數(shù)值影響較大,由于受端部三維效應(yīng)影響,不同四塔組合布置下局部脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)單塔均有明顯增大,固定塔間距下存在如下大小關(guān)系:菱形>串列>L形>矩形>斜L形。
(4) 不同四塔組合形式最小負(fù)壓信號(hào)和喉部分離點(diǎn)局部風(fēng)壓信號(hào)分別近似呈現(xiàn)高斯和非高斯分布,塔群干擾效應(yīng)對(duì)最小負(fù)壓信號(hào)的概率密度分布形式影響較??;菱形方案局部最小負(fù)壓信號(hào)IMF分量在中間頻率段的振幅明顯大于其它工況,具有間斷性的大脈沖特性且能量分布更為分散。
參 考 文 獻(xiàn)
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