双曲冷却塔风致响应机理分析

双曲冷却塔风致响应机理分析

田永胜;丁大益;邹云峰;何旭辉;陈政清;牛华伟

【摘要】风荷载是冷却塔设计的控制性荷载,风致干扰作用下结构的安全性更是人们关注的重点.基于冷却塔相关设计规范中风压设计曲线的Fourier级数表达式,分析各阶谐波对阻力系数和风致响应的贡献,并以某核电站200m高冷却塔为例,通过有限元方法对冷却塔风致响应机理进行详细分析与验证.研究成果为认识此类超大型冷却塔风致响应机理和正确选择考察冷却塔风致干扰效应的方法提供参考与依据.%Wind loading is the control load in the design of cooling towers, and wind-induced interference attracts more attention of people. Based on the Fourier-series expression of pressure curves given in the relevant specifications, the contributions of each harmonic to both drag coefficient and wind-induced response were analyzed. Taking a 200 m high cooling tower for example, the mechanism of wind-induced response of cooling towers was analyzed and verified using finite element method. The present results reveal further insight into the mechanism of wind-induced response of cooling towers, and provide a reference for selecting appropriate method to investigate wind-induced interference of cooling towers.

【期刊名称】《铁道科学与工程学报》

【年(卷),期】2018(015)007

【总页数】7页(P1803-1809)

【关键词】冷却塔;风致响应;风荷载;风压曲线;阻力系数;风致干扰

【作者】田永胜;丁大益;邹云峰;何旭辉;陈政清;牛华伟

【作者单位】中国五洲工程设计集团有限公司,北京 100053;中国五洲工程设计集

团有限公司,北京 100053;中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075;中南大学土

木工程学院,湖南长沙 410075;湖南大学风工程试验研究中心,湖南长沙 410082;

湖南大学风工程试验研究中心,湖南长沙 410082

【正文语种】中文

【中图分类】TU311.3

冷却塔是普遍用于火电厂与核电站中循环水冷却的重要构筑物。冷却塔塔体高、阻风面积大，风荷载是其控制性荷载，常在风荷载作用下发生较大的响应甚至破坏[1]。1965−11−01，英国渡桥电厂3座高115 m的冷却塔在仅33.99～37.57

m/s风速作用下发生倒塌，引起了工程界对冷却塔风致干扰效应的极大关注[2−3]。事实上，冷却塔只是电厂中诸多构筑物之一，由于相邻冷却塔或建筑物的干扰，群塔周围的流场特性会与单塔不同，即产生干扰效应。但我国冷却塔相关设计规范未对干扰因子取值作出明确规定，严重制约着我国冷却塔的建设与发展。迄今为止，风洞试验是研究冷却塔风致干扰效应的主要有效手段之一。Orlando[4]研究了双

塔干扰下的风压分布，得到了风压干扰因子；顾志福等[5]分析了双塔干扰下冷却

塔表面的平均和脉动风压分布，并将干扰分为尾流影响、综合弱影响和邻近影响3个区域；张彬乾等[6]研究了某电厂双塔干扰对平均风压分布的影响；沈国辉等

[7−8]研究了双塔、倒品字形三塔干扰状态下的阻力系数、升力系数和底部剪力系数随塔间距、风向角的变化规律；赵林等[9]通过由等效阻力系数得到的等效风荷

载比例系数研究了某电厂实际布局的冷却塔干扰效应。以上成果主要是通过刚体模

型测压试验研究干扰状态下冷却塔表面的风压分布规律或力系数的变化，但冷却塔属于典型空间结构，其风振响应不仅与荷载大小有关，还与荷载的分布形式密切相关，因此由荷载得到的干扰因子并不能完全反映干扰效应对响应的影响。如何考察冷却塔风致干扰效应需要对其风振响应机理进行分析，确定影响冷却塔风致响应大小的荷载参数。本文基于中、德冷却塔相关设计规范外表面风压曲线的 Fourier级数表达式，从各阶谐波对阻力系数和风振响应的贡献对冷却塔风振响应机理进行分析，为深入认识冷却塔风振响应机理和正确考察其风致干扰效应提供参考与理论依据。

1 规范介绍与分析

我国现行的冷却塔相关设计规范有《工业循环水冷却设计规范》(GB/T 50102—2003)[10]和《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339—2006)[11]，二者风荷载

取值一致，以下简称“中国规范”。设计师按德国规范VGB-R 610Ue[12]于

2001年建成目前世界第一的超大型冷却塔(塔高 200 m，底部直径约152 m)，运营至今，没有发生任何损坏。文献[13]对2国规范风荷载取值差异进行了详尽比对，表明二者取值原则基本一致。中国规范分别给出了光滑和加肋双曲冷却塔两条平均风压系数分布曲线，表达式采用Fourier级数八项式(式(1))。德国规范则按表面粗糙度大小给出了6条曲线，并采用分段函数式表达，但 Gould[14]指出德国曲线

也可用 Fourier级数多项式表达以便设计输入，因此本文采用最小二乘法将德国规范曲线拟合为Fourier级数八项式，将中、德规范曲线的表达形式统一起来。中、德规范曲线及各阶谐波系数比较分别如图 1和表 1所示。

式中：ai为i次谐波系数；θ为与来流方向的夹角。

图1 中德规范风压曲线比较Fig.1 Wind pressure coefficient in China and German codes