杜凌云， 柯世堂

(1. 南京航空航天大學(xué) 土木工程系，南京 210016; 2. 遠(yuǎn)景能源(江蘇)有限公司，上海 200050)

大型直筒-錐段型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔是一種造型新穎、材料獨(dú)特的新型冷卻塔結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土冷卻塔相比，其內(nèi)表面氣動(dòng)力分布與流場特性差異顯著。而在極端氣候條件下，結(jié)構(gòu)不僅要承受強(qiáng)風(fēng)作用，更將遭受與之俱來的暴雨襲擊。此時(shí)，雨滴在風(fēng)力和重力的共同驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生傾斜，穿過露天敞開的塔筒頂部以較大速度撞擊至塔筒內(nèi)壁，使其內(nèi)表面氣動(dòng)力分布發(fā)生顯著改變。此外，暴雨將會(huì)一定程度上影響無雨?duì)顟B(tài)下單純脈動(dòng)風(fēng)的湍流效應(yīng)，故處于這種復(fù)雜風(fēng)雨聯(lián)合作用環(huán)境下的新型直筒-錐段鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，研究其在不同風(fēng)速和雨強(qiáng)參數(shù)組合下的內(nèi)表面風(fēng)荷載作用機(jī)理，具有重要的工程價(jià)值和理論意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對多種透風(fēng)率[1]、不同高度與緯度[2]、不同結(jié)構(gòu)形式[3]及考慮內(nèi)部構(gòu)件[4]等復(fù)雜工況下冷卻塔結(jié)構(gòu)內(nèi)吸力進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，相關(guān)成果很好地解決了傳統(tǒng)雙曲線型混凝土塔的內(nèi)壓取值和抗風(fēng)設(shè)計(jì)。然而，對于造型新穎的直筒-錐段型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，其風(fēng)雨聯(lián)合作用下內(nèi)表面氣動(dòng)性能的研究基本空白，更缺乏不同風(fēng)速和雨強(qiáng)等多參數(shù)組合對風(fēng)-雨雙向耦合下冷卻塔內(nèi)壓作用規(guī)律的定性和定量對比。此外，針對風(fēng)雨共同作用的研究文獻(xiàn)[5-10]，主要集中在低矮房屋、橋梁、斜拉索、輸電塔及風(fēng)力機(jī)等結(jié)構(gòu)，而對于大型冷卻塔結(jié)構(gòu)，是否需要考慮風(fēng)驅(qū)雨對其塔筒內(nèi)表面氣動(dòng)性能的影響，目前鮮有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道。

鑒于此，本文以國內(nèi)某在建塔高189 m的新型直筒-錐段型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔為例，以風(fēng)-雨雙向耦合算法為核心，基于CFD(Computational Fluid Dynamics)手段首先對不同風(fēng)速下的冷卻塔周圍風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬，在穩(wěn)定后的風(fēng)場中添加離散相模型(Discrete Phrase Model，DPM)以輸入不同等級(jí)的雨量，進(jìn)行雨滴和風(fēng)場同步迭代以實(shí)現(xiàn)風(fēng)-雨雙向耦合運(yùn)算?；谀M結(jié)果研究風(fēng)雨聯(lián)合作用下塔筒內(nèi)壓作用機(jī)理，提煉出不同風(fēng)速和雨強(qiáng)對直筒-錐段型冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)驅(qū)雨量、雨滴附加荷載及等效內(nèi)壓的影響規(guī)律，最終對比給出最不利參數(shù)組合工況。研究結(jié)論旨在為我國此類新型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔的內(nèi)表面荷載取值與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)-雨雙向耦合算法

1.1 降雨強(qiáng)度

單位時(shí)間內(nèi)通過水平面的降雨體積通量稱為降雨強(qiáng)度(R)，以mm/h為標(biāo)準(zhǔn)對雨強(qiáng)進(jìn)行分類。與氣象中常用的12 h和24 h平均降雨量相比，小時(shí)降雨量更能直觀反映出工程中最為關(guān)心的極端氣候條件下瞬時(shí)雨強(qiáng)對結(jié)構(gòu)性能的影響。表1給出了降雨強(qiáng)度分類列表，兩種雨強(qiáng)分類的采樣時(shí)間不同，同一場雨的測量結(jié)果差別較大，本文采用小時(shí)雨強(qiáng)。

表1 降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分Tab.1 The grade of rainfall intensity

1.2 雨滴譜分布

研究中常將雨滴等效為球體，并采用同體積雨滴近似直徑描述粒徑分布，其隨時(shí)間和空間而改變，粒徑函數(shù)稱為雨滴譜。雨滴譜近似服從負(fù)指數(shù)分布，常用模型[11]有Best譜、Marshall-Palmer譜及Gamma譜。本文選用Marshall-Palmer譜，如式(1)所示。

n(D)=N0e-λD

(1)

式中：D為雨滴直徑，mm；n(D)為不同直徑雨滴個(gè)數(shù)濃度譜；N0為濃度，取常值8 000；λ為尺度參數(shù)，其表達(dá)式如式(2)所示。

λ=4.1×R-0.21

(2)

1.3 雨滴末速度

雨滴受重力作用下降速度不斷增加，空氣阻力隨之加大，當(dāng)重力與阻力平衡時(shí)，雨滴以最終速度勻速下落，該速度稱為雨滴末速度或極限速度。Gunn等[12]指出降落高度≥20 m即可使幾乎所有粒徑雨滴達(dá)到最終末速度。

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為直徑小于2 mm的雨滴在降落過程中近似為球體下落，而直徑超過2 mm時(shí)，空氣阻力將導(dǎo)致雨滴出現(xiàn)較大變形，提出了經(jīng)驗(yàn)公式以計(jì)算雨滴下落垂直末速度(見式(3))。

式中：v(D)為直徑為D的雨滴垂直降落末速度，m/s。

1.4 風(fēng)-雨雙向耦合算法

在大暴雨時(shí)，雨滴占空氣體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，故可采用DPM模型進(jìn)行雨滴模擬，并在風(fēng)場計(jì)算穩(wěn)定后作為第二相插入連續(xù)相中進(jìn)行風(fēng)-雨雙向耦合[14-15]計(jì)算。雨滴在風(fēng)場中運(yùn)動(dòng)平衡方程為

(4)

(5)

式中：μ為流體黏性系數(shù)；dp為顆粒直徑；Re為相對雷諾數(shù)，可表示為

(6)

考慮雨滴離散相影響后，風(fēng)連續(xù)相基本控制方程可表示為

(7)

(8)

(9)

式中：I為單位張量;等式右邊第二項(xiàng)為體積膨脹作用。

1.5 壁面碰撞方程

雨滴沖擊到塔筒壁面過程服從動(dòng)量守恒定律，求解沖擊力的關(guān)鍵在于碰撞時(shí)間。計(jì)算中忽略雨滴在沖擊過程中可能發(fā)生的蒸發(fā)、飛濺、破裂等現(xiàn)象，認(rèn)為雨滴與結(jié)構(gòu)間相互作用遵循牛頓第二定律。由動(dòng)量定理

(10)

式中:f(t)為單個(gè)雨滴沖擊力矢量，N；v為雨滴速度矢量。

雨滴在單位時(shí)間內(nèi)對結(jié)構(gòu)的沖擊力F(τ)為

(11)

將下落時(shí)雨滴近似看作球體，則

(12)

由于雨滴直徑一般在6 mm以下，且撞擊前水平末速度相對較大，故為簡化計(jì)算，將碰撞時(shí)間τ取為

(13)

則雨滴對結(jié)構(gòu)的沖擊力可簡化為

(14)

2 工程簡介與工況設(shè)置

2.1 工程簡介

該在建超大直筒-錐段型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔整體塔高189 m，進(jìn)風(fēng)口高度32.5 m，直徑144.5 m。塔體采用鋼框架支承，由主筒、加強(qiáng)桁架和附屬桁架三部分組成，主筒共18層，加強(qiáng)桁架共5層，分別設(shè)置在32.5 m，67 m，107 m，148 m和189 m高度處，主筒和加強(qiáng)桁架均采用Q345鋼材；附屬桁架共30榀，鋼材等級(jí)為Q235B。進(jìn)風(fēng)口高度以上結(jié)構(gòu)外覆擋風(fēng)鋼板，表面光滑平整；塔筒底部設(shè)置百葉窗，用以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。冷卻塔主要結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

表2 大型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔主要結(jié)構(gòu)尺寸表Tab.2 The main structure dimensions of large steel cooling tower

2.2 工況設(shè)置

該冷卻塔位于B類地貌，對比研究風(fēng)雨聯(lián)合作用下3種風(fēng)速和3種雨強(qiáng)組合對冷卻塔內(nèi)表面氣動(dòng)性能的影響。其中，小風(fēng)、中風(fēng)和大風(fēng)分別以重現(xiàn)期為10年、50年和100年最大風(fēng)速進(jìn)行劃分；雨強(qiáng)均以大暴雨氣候條件為基準(zhǔn)進(jìn)行分類，分別為弱大暴雨、中大暴雨和強(qiáng)大暴雨，共9種對比工況，如圖1所示。

圖1 對比工況組合示意圖Fig.1 Sketch map of contrast working conditions

3 風(fēng)-雨雙向耦合數(shù)值模擬

3.1 建立風(fēng)雨場模型

整個(gè)計(jì)算域順風(fēng)向長3 000 m，橫風(fēng)向?qū)? 500 m，高度方向?yàn)?00 m。劃分網(wǎng)格時(shí)將其分為局部和外圍風(fēng)雨場，局部風(fēng)雨場內(nèi)含結(jié)構(gòu)冷卻塔模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，外圍風(fēng)雨場形狀規(guī)整，采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總體網(wǎng)格數(shù)量達(dá)1 600萬，圖2給出了整體計(jì)算域和模型網(wǎng)格劃分示意圖。

設(shè)置計(jì)算域入口為速度入口(velocity inlet)邊界，出口為壓力出口(pressure oulet)邊界，兩側(cè)壁及頂面采用對稱(symmetry)邊界，冷卻塔及地面均設(shè)為壁面(wall)邊界，局部與外圍計(jì)算域的重合面設(shè)為交界面(interface)。風(fēng)雨場計(jì)算域及其邊界條件如圖3所示。

圖2 計(jì)算域與模型網(wǎng)格劃示意圖Fig.2 Computational domain and model grid division

圖3 計(jì)算區(qū)域與邊界條件示意圖Fig.3 The computational domain and boundary condition

3.2 風(fēng)-雨場耦合計(jì)算

將風(fēng)-雨雙向耦合模擬理論和離散相軌跡追蹤方法應(yīng)用于此類超高雷諾數(shù)結(jié)構(gòu)，對計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量要求極高。本文數(shù)值計(jì)算是基于項(xiàng)目組風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)高性能計(jì)算中心的大型計(jì)算服務(wù)器完成的，如圖4所示。服務(wù)器處理器為Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v3 @ 2.30 GHz 2.30 GHz (2處理器)，安裝內(nèi)存高達(dá)256 GB，采用64位操作系統(tǒng)。

采用3D單精度、分離式求解器，流場流速為絕對速度，空氣模型等效為理想不可壓縮流體，對流項(xiàng)離散為二階迎風(fēng)差分格式，計(jì)算模型選取k-ω剪切應(yīng)力(Shear Stress Transfer,SST)控制方程，各參數(shù)采用默認(rèn)值。計(jì)算域入口采用冪指數(shù)為0.15的風(fēng)廓線模型，將離地高度10 m高度處的風(fēng)速分別設(shè)置為2.2節(jié)中3種基準(zhǔn)風(fēng)速。流場求解采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度與壓力之間的耦合。最后初始化風(fēng)場進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖4 項(xiàng)目組風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)高性能計(jì)算中心與配套設(shè)備Fig.4 High performance calculation center of wind turbine pneumatic and its supporting equipment

圖5(a)給出了平均風(fēng)速、湍流度剖面模擬結(jié)果與理論值(見式(15))和實(shí)測值對比曲線，圖5(b)將模擬的脈動(dòng)風(fēng)譜與Davenport譜、Harris譜、Karman譜及實(shí)測風(fēng)速譜[16]進(jìn)行對比。結(jié)果表明，平均風(fēng)速和湍流度剖面與理論值吻合良好，且數(shù)值位于兩實(shí)測曲線之間；脈動(dòng)風(fēng)譜擬合曲線與Karman譜最為接近，其分布規(guī)律與其它兩條經(jīng)典譜及實(shí)測譜較為相似。故風(fēng)場模擬標(biāo)準(zhǔn)滿足工程要求。

(15)

式中：Iz為z高度處的湍流度；I10為10 m高度名義湍流度，按表3取值；z為離地高度；α，zg和zb分別為風(fēng)剖面指數(shù)、梯度風(fēng)高度和剖面起始高度，見表3。

圖5 風(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果對比曲線Fig.5 Comparison curves of wind field numerical simulation results

表3 風(fēng)剖面參數(shù)列表Tab.3 Wind profile parameter list

風(fēng)場求解穩(wěn)定后插入離散相繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)雨場耦合迭代運(yùn)算。采用1.0～6.0 mm內(nèi)6種直徑的雨滴來模擬連續(xù)直徑分布的降雨(見表4)，每種直徑雨滴數(shù)量和體積占有率采用1.2節(jié)中Marshall-Palmer譜確定。對雨滴進(jìn)行“面”釋放，水平釋放速度為0，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下逐漸達(dá)到與所在位置處的水平風(fēng)速保持一致，豎向釋放速度為-5 m/s，重力和阻力共同作用使得雨滴在足夠大的高度范圍內(nèi)達(dá)到式(3)計(jì)算末速度。

風(fēng)雨耦合迭代完成后，可輸出連續(xù)相流場結(jié)果及冷卻塔內(nèi)表面捕捉到的雨滴信息，據(jù)此計(jì)算雨滴對冷卻塔內(nèi)表面的撞擊作用，分析風(fēng)雨聯(lián)合作用下冷卻塔等效內(nèi)壓系數(shù)分布規(guī)律。

3.3 有效性驗(yàn)證

對冷卻塔錐段和直筒段的平均風(fēng)壓系數(shù)與國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[17-20]進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，下部錐段風(fēng)壓分布曲線的負(fù)壓極值點(diǎn)和分離點(diǎn)對應(yīng)角度與火工規(guī)范光滑雙曲冷卻塔和德國VGBK1.5曲線一致，但在背風(fēng)區(qū)負(fù)壓數(shù)值略大于規(guī)范值；上部直筒段風(fēng)壓系數(shù)分布曲線與荷載規(guī)范中圓截面構(gòu)筑物分布曲線基本吻合；英國規(guī)范中風(fēng)壓系數(shù)值相對較大，與其它曲線偏離嚴(yán)重；綜上認(rèn)為本文數(shù)值模擬具有一定的有效性。

圖6 外表面風(fēng)壓曲線與國內(nèi)外規(guī)范示意圖Fig.6 Comparison between average shape factors of external surfaces

4 結(jié)果對比分析

4.1 風(fēng)場分析

圖7分別給出了加入雨滴前三種基準(zhǔn)風(fēng)速v0下冷卻塔渦量分布圖，由圖7可看出：①湍動(dòng)能強(qiáng)度隨著風(fēng)速增大而增強(qiáng)，峰值位于百葉窗背風(fēng)區(qū)、出風(fēng)口及最大基準(zhǔn)風(fēng)速下百葉窗迎風(fēng)面；下部錐段背風(fēng)面的湍動(dòng)能增值較小，且大風(fēng)速下相對低、中風(fēng)速較強(qiáng)；②部分氣流透過百葉窗進(jìn)入塔筒內(nèi)部，在塔體內(nèi)表面附著流動(dòng)、撞擊并向上爬升，由于直筒與錐段交接部位半徑減小，上升氣流受到阻礙，形成完整的三維氣流渦旋，造成該部位內(nèi)表面壓力系數(shù)顯著增大。

圖7 不同風(fēng)速下冷卻塔湍動(dòng)能圖Fig.7 Diagram of turbulent kinetic energy for cooling tower under different velocity

4.2 雨場分析

基于顆粒合速度對雨滴軌跡進(jìn)行追蹤，圖8給出了9種工況下風(fēng)雨場中雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，并對雨滴的密集程度進(jìn)行了等比例粗化處理。由圖8可以看出：

①受風(fēng)力驅(qū)動(dòng)作用，雨滴改變其豎直運(yùn)動(dòng)方向，并以一定的斜向速度降落，其運(yùn)動(dòng)軌跡傾斜率隨風(fēng)速的增大更為顯著，而受降雨強(qiáng)度影響微弱；②冷卻塔上部前端風(fēng)雨場中的雨滴在風(fēng)力、重力和空氣阻力共同作用下，穿過冷卻塔出風(fēng)口進(jìn)入冷卻塔內(nèi)部，并以較大速度撞擊至冷卻塔內(nèi)表面中上部背風(fēng)區(qū)域，且降雨強(qiáng)度愈大，內(nèi)壁面雨滴收集愈多；③隨著風(fēng)速的增大，雨滴水平方向作用力顯著增大，推動(dòng)雨滴加速沿順風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，大量雨滴略過冷卻塔頂部，向塔體后方行進(jìn)，進(jìn)而使得進(jìn)入冷卻塔內(nèi)部的雨滴數(shù)量急劇減少。

圖8 風(fēng)雨場中雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.8 Diagram of raindrop motion trajectory in rain and wind field

圖9給出了9種工況冷卻塔內(nèi)表面雨滴三維分布示意圖，為清晰顯示雨滴撞擊位置，將風(fēng)雨場坐標(biāo)系向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°并對雨滴進(jìn)行粗化處理。從圖中觀察得到，9種工況下雨滴撞擊位置多集中分布在冷卻塔內(nèi)表面上部背風(fēng)區(qū)域，受塔內(nèi)氣流漩渦驅(qū)動(dòng)作用，迎風(fēng)區(qū)壁面有少量雨滴附著；內(nèi)表面收集到的雨量以工況3下最多，隨風(fēng)速的增加迅速減少，而隨雨強(qiáng)的增大逐漸變多，低風(fēng)速下該變化趨勢相對最為顯著。

圖9 冷卻塔內(nèi)表面雨滴三維分布示意圖Fig.9 Three-dimensional distribution of raindrop on internal surface of cooling tower

氣流在冷卻塔近壁面受結(jié)構(gòu)阻礙和出風(fēng)口效應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)形式突然改變，而雨滴慣性作用使得自身水平速度調(diào)整相對風(fēng)速滯后，進(jìn)而導(dǎo)致雨滴撞擊壁面的瞬時(shí)速度不再等于水平風(fēng)速。為此，圖10給出了9種工況下各直徑雨滴數(shù)量、撞擊速度及速度占有率對比曲線。由圖10對比可知：①各工況下雨滴直徑主要分布在3～6 mm，以5 mm直徑雨滴占比最大，這是由于在同等風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下，小直徑雨滴速度增幅較快，豎向位置未及塔內(nèi)時(shí)，水平方向已隨風(fēng)略過塔體進(jìn)入尾流區(qū)；②雨滴收集數(shù)量分別為工況3>工況2>工況1，其它工況雨滴數(shù)量均較少，風(fēng)速越大雨滴直徑區(qū)間愈小，但其與降雨強(qiáng)度成正比；③內(nèi)表面雨滴撞擊速度主要分布在3～12 m/s內(nèi)，其中工況1、工況3和工況7以撞擊速度為3 m/s時(shí)占有率最高，工況2、工況5、工況6和工況9以撞擊速度為6 m/s時(shí)占有率最高，工況4和工況8以撞擊速度為9 m/s時(shí)占有率最高；④各直徑雨滴平均水平速度遠(yuǎn)小于最小基準(zhǔn)風(fēng)速(20 m/s)，撞擊速度大體上隨著雨滴直徑的增大而減小，其中工況8下水平末速度相對其它工況較大。

圖10 雨滴數(shù)量與水平末速度分布曲線Fig.10 Distribution curve of raindrop number and horizontal velocity

4.3 等效內(nèi)壓系數(shù)分析

采用式(12)進(jìn)行9種工況下冷卻塔內(nèi)表面雨荷載計(jì)算，對比給出雨滴產(chǎn)生的總壓所占總荷載的比例值，如表5所示，符號(hào)以背離斷面圓心為正。由表可知，冷卻塔內(nèi)表面承受雨荷載附加作用相對風(fēng)力極小，最大僅為風(fēng)雨總荷載的0.245%，發(fā)生在工況3；各風(fēng)速下總雨荷載隨雨強(qiáng)的提升而增大，固定雨強(qiáng)下風(fēng)速的提高將導(dǎo)致內(nèi)表面雨荷載顯著減小。

表5 冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)、雨對比列表Tab.5 Summary table of wind and rain load

為方便對比9種工況風(fēng)雨聯(lián)合作用下冷卻塔內(nèi)表面氣動(dòng)力分布，給出等效內(nèi)壓系數(shù)定義，見式(17)和式(18)，其中：Cpei為風(fēng)雨聯(lián)合作用下冷卻塔第i個(gè)監(jiān)控點(diǎn)等效內(nèi)壓系數(shù);Cpwi為監(jiān)控點(diǎn)風(fēng)致內(nèi)壓系數(shù)；Cpri為雨致內(nèi)壓系數(shù)；Pri為雨壓，Pwz0為參考高度處風(fēng)壓，本文參考高度為塔頂189 m；Fri為雨荷載，Si為計(jì)算面積。

Cpei=Cpwi+Cpri

(16)

(17)

(18)

分別選取塔筒錐段中部、錐段-直筒段交接處、直筒段中部及直筒段上部4個(gè)典型斷面進(jìn)行9種工況和單純風(fēng)荷載下的環(huán)向等效內(nèi)壓系數(shù)對比研究，如圖11所示。由圖11分析可得：①考慮風(fēng)-雨雙向耦合后各工況下等效內(nèi)壓系數(shù)略有差異，不同高度斷面分布曲線差別較大，基本被工況9和3包絡(luò)，局部區(qū)域的內(nèi)壓系數(shù)最大相差14.68%，發(fā)生在錐段中部的工況7；②等效內(nèi)壓系數(shù)最小值均發(fā)生在冷卻塔背風(fēng)區(qū)域，下部主要受穿過百葉窗的氣流撞擊在冷卻塔內(nèi)壁面影響，上部則由背風(fēng)區(qū)內(nèi)表面雨滴沖擊荷載造成，且前者對內(nèi)壓系數(shù)影響程度相對后者更強(qiáng)；③錐段中部等效內(nèi)壓系數(shù)最大值發(fā)生在0°角區(qū)域，隨著高度的增加，峰值所在角度逐漸后移至40°和120°，在直筒段上部轉(zhuǎn)而向前發(fā)生在側(cè)風(fēng)區(qū)中心90°，雨荷載使得冷卻塔側(cè)風(fēng)面等效內(nèi)壓系數(shù)顯著降低。

圖11 冷卻塔典型斷面環(huán)向等效內(nèi)壓系數(shù)對比曲線Fig.11 Comparison curves of equivalent internal pressure coefficient in typical section of cooling tower

選取塔筒0°,100°,120°及180°4條典型子午線進(jìn)行9種工況和單純風(fēng)荷載下的等效內(nèi)壓系數(shù)對比探討，如圖12所示。由圖12分析可得：不同角度下子午向內(nèi)壓系數(shù)分布趨勢差異顯著，100°子午線上的等效內(nèi)壓系數(shù)較其它子午線數(shù)值范圍較大；除0°子午線外，其它子午向等效內(nèi)壓系數(shù)隨子午向高度基本呈現(xiàn)增長趨勢，受風(fēng)雨聯(lián)合影響局部高度內(nèi)壓系數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)折；出風(fēng)口不穩(wěn)定氣流使得塔筒頂部等效內(nèi)壓系數(shù)出現(xiàn)突變現(xiàn)象，但同一角度下不同工況變化趨勢一致，數(shù)值較為分離。

圖12 冷卻塔典型子午線子午向等效內(nèi)壓系數(shù)對比曲線Fig.12 Comparison curves of equivalent internal pressure coefficient in typical meridian of cooling tower

5 結(jié) 論

基于風(fēng)-雨雙向耦合理論，采用連續(xù)相和離散相模型分別進(jìn)行風(fēng)場和雨滴模擬迭代，對新型直筒-錐段型鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔在極端氣候條件(強(qiáng)風(fēng)+暴雨)下的內(nèi)表面氣動(dòng)性能和作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

結(jié)果表明，雨滴水平方向作用力隨風(fēng)速提升而增大，驅(qū)動(dòng)雨滴加速運(yùn)行進(jìn)而略過冷卻塔出風(fēng)口進(jìn)入尾流區(qū)，少量大直徑雨滴進(jìn)入塔內(nèi)撞擊至內(nèi)壁面；以20 m/s為基準(zhǔn)風(fēng)速的工況1～3下結(jié)構(gòu)內(nèi)表面雨滴捕捉數(shù)量最多，各工況雨滴撞擊位置基本分布在塔筒上部內(nèi)表面背風(fēng)區(qū)域，其直徑和撞擊速度分別以5 mm和3～12 m/s占有率最高；內(nèi)表面雨滴附加荷載占總風(fēng)荷載比例極小，最大僅為0.245%，發(fā)生在風(fēng)速為20 m/s、雨強(qiáng)為200 mm/h工況下；風(fēng)雨聯(lián)合作用下不同來流風(fēng)速和雨強(qiáng)對冷卻塔內(nèi)壓系數(shù)影響較弱，最大偏離比例為14.68%。