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        風(fēng)-雨共同作用特大型冷卻塔表面風(fēng)荷載與作用機(jī)理

        2019-04-02 05:43:40柯世堂余文林
        關(guān)鍵詞:外壓內(nèi)壓冷卻塔

        柯世堂, 余文林,2

        (1. 南京航空航天大學(xué) 土木工程系, 江蘇 南京 210016; 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司, 江蘇 南京 211102)

        風(fēng)荷載是冷卻塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力設(shè)計(jì)的控制荷載[1-2],然而在極端氣候條件下,結(jié)構(gòu)需同時承受強(qiáng)風(fēng)和暴雨的共同影響,此時雨滴在風(fēng)力和重力的共同驅(qū)使下運(yùn)行速度和軌跡發(fā)生顯著變化,一部分在塔筒前緣以較大速度擊打在冷卻塔外表面,另一部分穿過敞開的塔筒頂部高速撞擊至塔筒內(nèi)壁,使其表面氣動力分布發(fā)生顯著改變.同時,暴雨會惡化脈動風(fēng)的湍流效應(yīng),導(dǎo)致塔筒附近以及塔內(nèi)氣流運(yùn)動形式、雨滴軌跡、附加力和內(nèi)、外壓作用發(fā)生變化.

        現(xiàn)有針對冷卻塔風(fēng)荷載的研究[3-6],主要集中在風(fēng)荷載的隨機(jī)特性、極值風(fēng)壓和靜/動力干擾效應(yīng)等.我國規(guī)范[7]僅給出了冷卻塔外表面風(fēng)壓系數(shù)分布曲線和單塔單一內(nèi)壓系數(shù)(-0.5),完全忽略了內(nèi)吸力沿高度和角度的變化情況.德國規(guī)范[8]根據(jù)外表面粗糙程度分別給出了外表面壓力系數(shù)分布模式,但對于內(nèi)壓系數(shù)亦未考慮三維特性和降雨影響.文獻(xiàn)[9]基于k-ε湍流和多相流模型模擬了冷熱空氣循環(huán)系統(tǒng)作用下的塔筒內(nèi)表面風(fēng)荷載,結(jié)果表明,塔筒內(nèi)壓隨高度和角度變化顯著.文獻(xiàn)[10]基于剛體測壓試驗(yàn)分析了透風(fēng)率為100%和30%工況下塔筒內(nèi)表面風(fēng)壓的三維效應(yīng),結(jié)果表明,內(nèi)表面風(fēng)壓沿高度和環(huán)向角度非均勻分布.相關(guān)成果很好地解決了常規(guī)高度冷卻塔表面風(fēng)壓取值問題,然而對于風(fēng)雨聯(lián)合作用下超大型冷卻塔內(nèi)、外表面氣動性能的研究未見報(bào)道,更缺乏不同風(fēng)速和降雨強(qiáng)度等多參數(shù)組合對冷卻塔內(nèi)外壓作用的定性及定量對比.

        此外,已有關(guān)于風(fēng)雨作用的研究[11-19]主要集中在橋梁斜拉索、房屋、風(fēng)力機(jī)及輸電塔等結(jié)構(gòu),然而大型冷卻塔常常處于較差氣候條件,其是否需要考慮風(fēng)雨耦合作用的研究亟需展開.

        鑒于此,以中國已建成的高為210.0 m的超大型冷卻塔為研究對象,基于風(fēng)-雨雙向耦合算法,采用連續(xù)相和離散相模型分別進(jìn)行風(fēng)雨場的數(shù)值模擬.在此基礎(chǔ)上,對比研究風(fēng)雨耦合作用下塔筒內(nèi)、外壓作用機(jī)理,最終提煉出不同風(fēng)速和降雨強(qiáng)度對塔筒內(nèi)、外表面雨量、雨荷載及等效壓力系數(shù)的影響規(guī)律.

        1 風(fēng)-雨雙向耦合算法

        1.1 概率統(tǒng)計(jì)特性

        表1給出了降雨強(qiáng)度等級劃分.由表1可知,兩種降雨強(qiáng)度分類的采樣時間不同,同一場雨的強(qiáng)度級別差別較大.小時降雨強(qiáng)度更能直觀反映出工程中最為關(guān)注的極端工況,因此本文選用小時降雨強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn).

        1.2 雨滴譜分布

        常用雨滴譜模型[20]有Best譜、Marshall-Palmer譜及Gamma譜.本文選用Marshall-Palmer譜,如式(1)所示.

        n(Dp)=N0e-λDp

        (1)

        式中:Dp為雨滴直徑,mm;n(Dp)為不同直徑雨滴數(shù)量;N0為雨滴濃度,取8 000;λ為尺度參數(shù),表達(dá)式如式(2)所示.

        λ=4.1R-0.21

        (2)

        式中:R為降雨強(qiáng)度,mm·h-1.

        表1 降雨強(qiáng)度等級劃分Tab.1 Grades of rainfall intensity

        1.3 壁面碰撞方程

        雨滴撞擊結(jié)構(gòu)壁面過程忽略可能發(fā)生的蒸發(fā)、飛濺、破裂等,近似服從動量守恒定律.

        (3)

        式中:f(t)為單個雨滴沖擊力;τ為碰撞時間;vs為雨滴末速度;m為雨滴質(zhì)量.

        單位時間內(nèi)雨滴對結(jié)構(gòu)的沖擊力F(τ)為

        (4)

        雨滴下落過程近似看作球體,則

        (5)

        由于雨滴撞擊前速度相對較大,為簡化計(jì)算,碰撞時間τ取為

        (6)

        則雨滴對結(jié)構(gòu)的沖擊力為

        (7)

        式(4)~(7)中:ρp為雨滴密度;Dp為雨滴直徑.

        2 工程簡介與工況設(shè)置

        該超大型冷卻塔塔高210.0 m,喉部高157.5 m,進(jìn)風(fēng)口高32.5 m,零米直徑180.0 m.冷卻塔塔筒最小壁厚為0.37 m,最大壁厚為2.00 m.塔筒下部有52對X型支柱支撐.

        該塔位于B類地貌,按30%透風(fēng)率模擬百葉窗效應(yīng)[21],對比研究風(fēng)速和降雨強(qiáng)度組合對塔筒表面氣動力的影響.其中小、中和大風(fēng)分別以重現(xiàn)期為10年、50年和100年最大風(fēng)速劃分,降雨強(qiáng)度以大暴雨氣候條件的弱、中和強(qiáng)大暴雨為基準(zhǔn)劃分,共9種計(jì)算工況,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

        數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算域尺寸設(shè)置為順風(fēng)向3 000 m,橫風(fēng)向1 500 m,高度600 m,并取塔底中心為坐標(biāo)原點(diǎn).模擬時采用局部加密技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,局部風(fēng)雨場采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,外圍風(fēng)雨場采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.圖2給出了整體計(jì)算域網(wǎng)格劃分.

        圖2 整體計(jì)算域網(wǎng)格劃分 Fig.2 Grid division of total computation domain

        3.2 風(fēng)雨場耦合計(jì)算

        整體計(jì)算域入口設(shè)為速度入口,出口設(shè)為壓力出口,側(cè)壁及頂面采用對稱邊界,地面及冷卻塔設(shè)為壁面邊界,局部與外圍區(qū)域重合面設(shè)為交界面.

        數(shù)值計(jì)算中空氣流速為絕對速度,湍流模型選取k-ω剪切應(yīng)力模型(shear stress transfer,SST).流場求解采用SIMPLEC二階算法實(shí)現(xiàn)速度與壓力的耦合,計(jì)算時啟用增強(qiáng)壁面函數(shù)模型,可保證底層網(wǎng)格對數(shù)律成立,然后初始化風(fēng)場進(jìn)行迭代計(jì)算.風(fēng)場計(jì)算穩(wěn)定后加入離散相模型繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)雨場迭代運(yùn)算,然后釋放雨滴,重力和空氣阻力的共同影響使得雨滴在足夠大的高度范圍內(nèi)達(dá)到模擬末速度.

        4 結(jié)果對比分析

        4.1 雨場分析

        圖3給出了9種工況下冷卻塔內(nèi)、外表面收集到的各直徑雨滴數(shù)量分布,對比可知塔筒內(nèi)、外表面雨滴附著數(shù)量隨風(fēng)速的增大而減少,隨降雨強(qiáng)度的增大而增多,且外表面雨滴收集數(shù)量顯著多于內(nèi)表面,約為內(nèi)表面的10倍.

        表2和表3分別給出了塔筒內(nèi)、外表面不同高度范圍雨荷載以及內(nèi)表面不同高度范圍雨荷載與該區(qū)域風(fēng)荷載的比值(H為塔高,210.0 m).對比發(fā)現(xiàn):①不同工況下冷卻塔外表面雨荷載均隨著高度的增加先減小后增大,均在0.23H~0.31H高度范圍內(nèi)最小,在塔底或塔頂處最大;②各工況冷卻塔內(nèi)表面雨荷載均隨高度的增加而增大,0.69H高度以下均沒有雨滴附著,且絕大部分雨滴主要集中在0.90H~1.00H高度范圍內(nèi);③不同高度范圍內(nèi)表面雨荷載顯著小于風(fēng)荷載,最大僅為風(fēng)荷載的0.365 5%,同時各工況下冷卻塔外表面荷載均顯著大于內(nèi)表面荷載;④不同風(fēng)速下塔筒內(nèi)、外表面雨荷載隨降雨強(qiáng)度的變大而增大,固定降雨強(qiáng)度下風(fēng)速的增大將導(dǎo)致塔筒內(nèi)表面和中下部外表面雨荷載減小.

        a 外表面

        b 內(nèi)表面 圖3 工況1~9中塔筒內(nèi)、外部雨滴附著數(shù)量分布曲線Fig.3 Distribution curves of raindrop number on internal and external surfaces of cooling tower under conditions 1 to 9

        表2 工況1~9中塔筒外表面不同高度范圍雨荷載Tab.2 Rain load at different height ranges of external surface under conditions 1 to 9

        表3 工況1~9塔筒內(nèi)表面不同高度范圍風(fēng)雨荷載特征值Tab.3 Eigenvalue of wind and rain load at different height ranges of internal surface under conditions 1 to 9

        圖4和圖5分別給出了工況1~9中冷卻塔內(nèi)、外表面雨滴以及雨壓系數(shù)分布.由圖4、5可知:①各工況雨滴附著位置主要分布在塔筒外表面迎風(fēng)區(qū)域和內(nèi)表面上部背風(fēng)區(qū)域,受氣流大尺度渦旋驅(qū)動作用,外表面背風(fēng)區(qū)壁面和內(nèi)表面迎風(fēng)區(qū)壁面有少量雨滴附著;②塔筒內(nèi)、外表面收集到的雨量均以工況3最多,且隨風(fēng)速的增大逐漸減少,隨降雨強(qiáng)度的增大逐漸增多,同時塔筒外表面收集的雨滴遠(yuǎn)多于內(nèi)表面;③各工況雨致外壓系數(shù)均主要分布在迎風(fēng)面兩側(cè)各60°范圍內(nèi),雨致外壓系數(shù)最大值為0.184,出現(xiàn)在工況3的0.15H~0.23H高度范圍內(nèi);④各工況雨致內(nèi)壓系數(shù)均主要分布在子午向0.9H~1.00H以及背風(fēng)區(qū)域兩側(cè)各90°范圍內(nèi),雨致內(nèi)壓系數(shù)最大值為0.003 8,出現(xiàn)在工況3的0.90H~1.00H高度范圍內(nèi).

        a 工況1

        b 工況2

        c 工況3

        d 工況4

        e 工況5

        f 工況6

        g 工況7

        h 工況8

        i 工況9 圖4 冷卻塔內(nèi)外表面雨滴三維分布 Fig.4 3D distribution of raindrops on internal and external surfaces of cooling tower

        a 工況1

        b 工況2

        c 工況3

        d 工況4

        e 工況5

        f 工況6

        g 工況7

        h 工況8

        i 工況9 圖5 冷卻塔內(nèi)外表面雨致壓力系數(shù)分布 Fig.5 Distribution of rain induced pressure coefficient on internal and external surfaces of cooling tower

        4.2 等效壓力系數(shù)分析

        為定量比較不同工況組合下塔筒風(fēng)-雨致壓力分布,定義等效內(nèi)外壓系數(shù),其計(jì)算步驟為:①將內(nèi)、外表面各測量點(diǎn)雨荷載轉(zhuǎn)化成雨壓強(qiáng);②計(jì)算測量點(diǎn)雨壓與對應(yīng)參考高度處風(fēng)壓比值,即雨致內(nèi)、外壓系數(shù);③將雨壓系數(shù)與風(fēng)壓系數(shù)矢量加和,即為風(fēng)雨共同作用下等效內(nèi)、外壓系數(shù).

        圖6和圖7分別給出各工況塔筒內(nèi)、外典型斷面等效內(nèi)、外壓系數(shù)對比曲線,分析可知:①不同工況下相同高度截面處等效外壓系數(shù)分布規(guī)律及數(shù)值基本相同;②同一工況下不同斷面等效內(nèi)、外壓系數(shù)略有差異,但均呈現(xiàn)較好的對稱性,各斷面等效內(nèi)壓系數(shù)均在冷卻塔背風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)減小現(xiàn)象.

        圖8和圖9分別給出了塔筒典型子午線的等效內(nèi)、外壓系數(shù)對比曲線,分析可得:①塔筒0°子午線等效外壓系數(shù)數(shù)值基本穩(wěn)定,180°子午線等效外壓系數(shù)隨著高度的增加先增大后減?。虎诓煌游缦騼?nèi)壓系數(shù)分布趨勢基本一致,均隨著高度的增加逐漸減小,最大值為-0.574,最小值為-0.282,180°子午線內(nèi)表面底部等效內(nèi)壓系數(shù)顯著減小,頂部等效內(nèi)壓系數(shù)減小微弱.

        a 0.27H

        b 0.87H 圖6 冷卻塔典型高度斷面等效外壓系數(shù)對比曲線Fig.6 Comparison of equivalent external pressure coefficient on typical height sections of cooling tower

        a 0.27H

        b 0.87H 圖7 冷卻塔典型斷面環(huán)向等效內(nèi)壓系數(shù)對比曲線Fig.7 Comparison of equivalent internal pressure coefficient on typical height sections of cooling tower

        a 0°

        b 180° 圖8 冷卻塔典型子午線等效外壓系數(shù)對比曲線Fig.8 Comparison of equivalent external pressure coefficient on typical meridians of cooling tower

        a 0°

        b 180° 圖9 冷卻塔典型子午線等效內(nèi)壓系數(shù)對比曲線Fig.9 Comparison of equivalent internal pressure coefficient on typical meridians of cooling tower

        5 結(jié)論

        (1)雨場中雨滴水平力隨風(fēng)速增大而增大,多數(shù)雨滴掠過塔頂并在塔筒兩側(cè)分離,僅有少數(shù)雨滴附著在塔筒外表面以及進(jìn)入塔內(nèi)隨氣流撞擊至內(nèi)壁面.

        (2)塔筒內(nèi)外表面雨滴附著數(shù)量隨風(fēng)速的增大而減少,隨降雨強(qiáng)度的增大而增多,雨滴捕捉數(shù)量最多的為工況3(風(fēng)速為20 m·s-1、降雨強(qiáng)度為200 mm·h-1),且外表面雨滴收集數(shù)量顯著多于內(nèi)表面.

        (3)各工況雨滴主要附著在外表面迎風(fēng)區(qū)域兩側(cè)各60°范圍和內(nèi)表面塔頂附近背風(fēng)區(qū)兩側(cè)各90°范圍內(nèi),且外表面雨荷載和雨壓系數(shù)顯著大于內(nèi)表面,其中雨致外壓系數(shù)最大值為0.184,雨致內(nèi)壓系數(shù)最大值為0.003 8,均發(fā)生于工況3.

        (4)各工況等效外壓系數(shù)在迎風(fēng)和背風(fēng)區(qū)數(shù)值略有差異,喉部區(qū)域最大外壓系數(shù)約為-1.500.等效內(nèi)壓系數(shù)均在冷卻塔背風(fēng)區(qū)顯著減小,不同子午線等效內(nèi)壓系數(shù)均隨著高度的增加逐漸減小,最大值和最小值分別為-0.574和-0.282.

        綜上所述,在大暴雨環(huán)境下,考慮風(fēng)-雨耦合作用對于此類大型冷卻塔塔筒外表面迎風(fēng)區(qū)域和內(nèi)表面塔頂背風(fēng)區(qū)域的壓力系數(shù)影響不能忽略,但是對其他區(qū)域的影響可以不計(jì).同時,工程人員考慮塔筒氣動性能指標(biāo)進(jìn)行此類大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時可采用文中相應(yīng)結(jié)論作為參考依據(jù).

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