不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分析

不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分

析

摘要：为研究不同气动措施对特大型冷却塔结构风

致强度及稳定性能的影响，以内陆某核电特大型冷却塔为例，对无气动措施和增设3种气动措施冷却塔进行刚体测压风洞试验.基于试验结果对比分析了不同气动措施下冷却塔表面

平均和脉动风压特性，然后采用有限元方法进行不同气动措施下特大型冷却塔的动力特性、风致响应、局部和整体稳定性能研究，最终提炼出不同气动措施对特大型冷却塔结构抗风性能的影响规律.

关键词：特大型冷却塔；气动措施；风洞试验；风压特性；风致响应；稳定性

中图分类号：TU279.741 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）05-0079-11

Abstract：To study the wind-induced strength and stability properties of large cooling towers with different aerodynamic measures，the pressures of the rigid-body models without or with three different aerodynamic measures were measured by the wind tunnel tests. A nuclear super-large cooling tower inland was considered as the test specimen. The surface wind

mean and fluctuating pressure characteristics were investigated from the test results. Furthermore，finite element analysis was conducted to evaluate the dynamic characteristics of natural vibration，the wind-induced response，and the overall and local stability. Finally，the effective rules of the different aerodynamic measures on wind resistance for super-large cooling tower were proposed.

Key words：super large cooling towers；aerodynamic measures；wind tunnel test；wind pressure characteristic；wind-induced response；stability

随着能源产业结构的调整，作为火/核发电厂重要构筑物之一的冷却塔的规模日趋高大化，国内规范条款仅针对高度在165 m以下的冷却塔，其已无法满足当前特大型冷却塔建设的需求，同时塔高和直径的增大使特大型冷却塔在风荷载作用下的承载能力和稳定性能成为制约其发展的瓶颈之一[[1-2].

国内外学者采用风洞试验和有限元方法对大型冷却塔

的风致稳定性能进行了大量研究[[3-6]，为其抗风设计提供了很好地技术支持.然而，国内外已有研究成果均未涉及不同气动措施[[7-8]下特大型冷却塔的风压分布特性，更缺乏不同气动措施对其风致响应和稳定性影响的定性和定量分析.

鉴于此，本文以内陆某核电特大型冷却塔工程为背景，

对无气动措施和增设3种不同气动措施的冷却塔进行刚体模型测压风洞试验，基于试验结果对比分析表面平均和脉动风压特性；再采用有限元方法进行不同气动措施下特大型冷却塔的风致响应及整体和局部稳定性研究，并与无气动措施下冷却塔的计算结果进行对比分析，最终提炼出不同气动措施对特大型冷却塔结构抗风设计的影响规律，主要结论可为此类特大型冷却塔气动措施的选取提供依据.

1 风洞试验及结果分析

1.1 刚体测压风洞试验

本试验结构原型采用江西某核电特大型自然通风冷却

塔[[1]，塔高215 m，淋水面积18 300 m2，喉部高度160 m，中面半径49.64 m，塔筒分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.8 m.表1给出了该工程冷却塔的主要结构尺寸.

测压试验所用风洞为全钢结构闭口回流式低速大气边

界层风洞，刚体模型采用1∶500缩尺比，沿环向和子午向共布置36×12个测点.同时在来流前部放置三角尖劈和地面粗糙元来模拟B类地貌的大气边界层风场.由于物理风洞本身的局限性，可通过适当改变模型表面粗糙度和调整试验风速来近似模拟冷却塔高雷诺数时的绕流特性[[9-10].通过比

较确定采用二三层纸带间隔分布的形式沿圆周均匀布置宽5 mm，厚0.1 mm共计36条竖向通长粗糙纸带和来流风速10 m/s手段来模拟雷诺数效应（模型雷诺数为1.51×105）.图1

给出了在10 m/s试验风速下冷却塔中间断面平均表面压力系数分布与规范值[[11]的对比曲线，由图比较可知二者吻合较好，故后续不同气动措施下的冷却塔模型均采用此雷诺数模拟方法.

3种气动措施分别为：在进风口上部设置外部进水槽、矩形导风板和弧形导风板，每种导风装置的尺寸如图2所示.相应计算模型简称无措施、措施1、措施2和措施3.其中不同气动措施模型如图3所示.

1.2 结果分析

图4给出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m 和150～215 m高度区间内4种气动措施下冷却塔平均风压随环向角度变化曲线.由图可知，随着高度区间的增大，不同气动措施下冷却塔外表面的平均风压系数与无气动措施的分布差别越来越小，最大影响量从27.69%降至18.02%，在150～215 m高度区域内基本与无气动措施风压曲线分布一致，局部点差异较大；不同气动措施对120°～240°角度范围内即背风区域的风压系数影响较大，对侧风区域和迎风区域的平均风压影响相对较小. 图5给出了子午向0～50 m，50～100 m，100～150 m和150～215 m高度区间内不同气动措施下冷却脉动风压系数均方根对比曲线，对比可知在0～50 m范围内，4种冷却塔脉动风压系数均方根差别较大，最大百分比为33.87%，但随着塔高的增大不同气动措