基于风洞实验的冷却塔空腔区范围影响因素研究
冷却塔塔筒内力影响面与风荷载效应分析
冷却塔塔筒内力影响面与风荷载效应分析张军锋;田家安;辛思远;赵林【摘要】以某大型双曲冷却塔为例,借助塔筒内力的影响面,分析了表面荷载对塔筒内力的影响,便于理解塔筒表面风压分布与内力的关系.研究发现:冷却塔的环向内力和子午向弯矩的影响面具有显著的局部效应,即上述内力仅受所在位置附近荷载的影响;子午向轴力影响面的局部性最弱,即受到整个塔筒高度范围荷载的影响;剪力和扭矩则介于上述两者之间;各个内力影响面的局部性在环向的表现较子午向更为明显,都主要受左右两侧各60°环向范围荷载的影响.正因塔筒内力影响面在环向的局部性,使风荷载作用下的内力环向分布表现出与风压分布类似的特征.%Studies were focused on the influences of shell load on the shell internal forces of hyperbolic cooling towers,and the influence surfaces of internal forces were employed in the illustration.It was found that the influence surfaces of latitude axial force,latitude moment and meridian moment show the striking local effect,or these internal forces are just influenced by the pressure around their locations.The influence surface of meridian axial force shows the minor local effect,or it would be influenced by the pressure along the shell height.The shear force and torque moment are between the former two conditions.Furthermore,the local effects are more profound in latitude than in meridian direction.Due to the latitude local effect of influence surfaces for all internal forces,the latitude distributions of wind pressure and internal forces show great similarities.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】5页(P95-99)【关键词】双曲冷却塔;塔筒内力;影响面;风荷载效应【作者】张军锋;田家安;辛思远;赵林【作者单位】郑州大学土木工程学院,郑州450001;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;郑州大学土木工程学院,郑州450001;郑州大学土木工程学院,郑州450001;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092【正文语种】中文0 引言冷却塔在施工和运行过程中仅承受自重、施工、温度、地震和风共6类荷载,其中风荷载是冷却塔的设计控制荷载,且风荷载也是塔筒仅有的直接荷载作用。
影响冷却塔技术参数的因素
首先是水量测量
水量测量多在塔的进水管上进行，也可在塔的出水沟道上测量，管道上测流量一般用超声波流量计或皮托管;出水沟道上测流量冷却塔可用流速仪,水量小时也可用矩形堰，为了保证测量的精度,各种测量仪器都要求有一定的直管段,可参阅技术规定。由于存在水量损失,所以进冷却塔水量大于出塔水量。
②出冷却塔水温。进塔的水流到出塔有一历程，不然测出的数据是不可靠的，一个新的工况到稳定状态,自然塔约需40~60分钟,机力塔约需30~40分钟，必须布置多个测点求平均值，机力塔出塔水温测点布置在水池出口或用集水槽布置在水池上边,自然塔出塔水温在出水沟内侧，然后将槽连接起来,出水断面上测，如求多个集水槽出水的平均值则不准确。
第四、大气压力、风速和风向测量
气压高蒸发慢,大气压力影响蒸发散热，气压低蒸发快，大气压力用空盒式或水银式大气压力表测量，风速风向测量布置在塔的上风向,开阔地带,距塔30~50米,地面以上1.5~2.0米处，测量仪表用带风向标的旋杯式风速风向仪或可连续冷却塔记录的风速风向仪，自然塔在大气风速大于3米/秒,机力塔在大气风速大于4米/秒时,不进行测试。
其次是测量断面
可取在风机叶片下20厘米处,空气量的测量机械通风，冷却塔的风量测量一般在风机下的风筒内进行，取的太大则到风筒收缩段,风速倾斜，这里风速较大,所以测量用皮托管和微压计，一般应测4个半径,半径方向同进风口成45度角。
再次是水温的测量
①进塔水温。铝合金包装箱;测量仪表一般用水银温度计、热电偶或热电阻温度计，自然塔在进水管或竖井内侧，横流式冷却塔冷却塔在配水池内，所以测量时必须达到稳定状态。
最后是冷却塔环境，空气干、湿球温度测量
间接空冷塔受侧风影响研究综述
(1. State Key Laboratory of Power System (Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China 2. Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210046, Jiangsu Province,China) ABSTRACT: The methodology and important findings on dry cooling tower were summarized home and abroad. Cross wind can significantly alter the flow field around a dry cooling tower, resulting in asymmetrical wind intake, deflection of the plume flow and inverse cold flow at the outlet, which reduce the plant's efficiency and enhance the air pollution downstream. Much valuable research work have been done about the characteristics of the flow field around the tower, and also some ideas were proposed to reduce the negative influence of wind. However, so far no method has been verified as being ultimately effective in reducing the negative influence of cross wind, not to mention eliminating or even utilizing the wind effect. It is suggested that further study should focus more on the comprehensive flow field around dry cooling tower including the flow filed outside the tower shell and new design of tower structure to make use of the cross wind. KEY WORDS: dry cooling tower; indirect air-cooled; cross wind; asymmetrical wind intake; deflection of the plume flow; inverse cold flow 摘要： 综述了近几十年国内外关于环境侧风对空冷塔影响的 研究方法和研究成果， 指出环境侧风引起空冷塔入口进风不 均匀、 出口羽流偏斜和出口边缘逆流等问题， 导致塔体整体 通风阻力上升，降低了通风量，引起机组煤耗增加，被压低 的烟气尾流还对下游环境造成一定污染。 国内外学者通过试 验、数值模拟等方法对空冷塔受侧风的影响进行大量研究， 对其恶化机理和影响程度都有了一定认识， 也提出了一些措 施， 使环境侧风的负面影响得到一定抑制， 但至今还没有从 根本上消除侧风的负面影响。 提出进一步研究包括塔外流场 在内的整个流场结构， 开发新型结构， 有望解决空冷塔受侧 风影响的问题。
超大型冷却塔结构风振与地震作用影响比较
超大型冷却塔结构风振与地震作用影响比较柯世堂;赵林;葛耀君【摘要】超大型冷却塔属于典型风及地震敏感结构,随着塔高的日益增大这两种作用成为设计的控制因素,为了研究这两种作用在不同部位的控制程度,对某超大型冷却塔进行风洞刚体测压和气弹测振试验,通过加载试验获得的塔筒表面风压分布模式和风振系数进行风载作用下结构响应计算,和冷却塔在七度地震作用下的响应进行比较.对比结果表明:环基和塔简响应完全受风振控制,其在风载作用下的内力数值远大于地震作用下的数值,其中子午向和环向内力从塔底到塔顶逐渐变小,子午向和环向弯矩最大值均出现在塔筒的中部区域.两者对于人字柱的内力影响相差较小,和自重作用共同控制人字柱响应;采用振型分解法计算结构响应需要考虑前300阶的振型影响,而对于风振作用的频域分析只需考虑前30阶模态数即可满足.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2010(042)010【总页数】7页(P1635-1641)【关键词】冷却塔;风洞试验;地震作用;参振模态【作者】柯世堂;赵林;葛耀君【作者单位】同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】TP339;U495.2大型冷却塔作为一种空间薄壁的高耸结构，其主体结构由旋转壳体、支柱和环梁三大部分组成，通常情况下100多米高的冷却塔壳体最小厚度仅有十几厘米.1965年11月英国渡桥电厂的3座高114 m的冷却塔在一阵强风下先后倒塌，以及1973年Ardeer电厂和在1984年 FiddlersFerry电厂的冷却塔再次倒坍，引起了世界各国学者对冷却塔结构安全性研究的重视，已经先后召开了5次关于自然通风冷却塔的国际会议，国际上有许多学者从事冷却塔在强风和地震作用下的安全性研究［1－3］.近几年，国内针对冷却塔抗风问题已展开了较为广泛的研究工作［4－10］，风洞试验为其中有效手段之一，主要采用刚体模型表面同步测压和基底高频天平测力试验方法，北京大学的武际可和魏庆鼎教授较早的对于冷却塔的受力性能和风致振动进行了相关研究［4－5］，同济大学课题组针对传统气弹模型设计方法的不足提出了基于等效梁格法冷却塔气弹模型设计方法［6］，而后对于超大型冷却塔的风荷载特性和风致干扰效应在风洞试验中进行了比较全面的研究［7－9］，浙江大学的孙炳楠教授采用CFD方法对冷却塔进行了单塔和双塔情况下的风荷载模拟［10］.这些研究大多是单独基于风振或地震作用下的分析，对于风载和地震作用下响应的对比分析研究相对较少.为此本文基于某超大型冷却塔(塔高177 m)群塔组合刚体测压模型与气弹模型试验结果，采用有限元和自行编制的频域计算方法，对该超大型冷却塔进行了试验不对称风压作用下的冷却塔响应计算，并和地震作用下响应进行对比分析，得出了一些有益的结论.1 风洞试验1.1 试验设备及模型本试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ－3大气边界层风洞中进行.该风洞为闭口回流式矩形截面风洞，试验段尺寸宽为15 m、高为2 m、长为14 m.按1∶200缩尺比制作冷却塔测外压模型和测内压模型(如图1)，冷却塔及周边其他建筑模型阻塞度小于7%.图1 冷却塔模型大气边界层模拟风场的调试和测定是用丹麦DANTEC公司的Streamline热线风速仪，冷却塔内外表面平均压力与脉动压力测量采用美国Scanivalue扫描公司的DSM3000电子压力扫描阀.信号采样频率为312.5 Hz，每个测点采样样本总长度为6 000个数据.冷却塔测外压模型沿其环向与子午向布置36×12个外表面压力测点.测内压模型沿其环向与子午向布置36×6个内表面压力测点.内外压测点布置见图2.冷却塔周边存在较为密集的工业厂房，建筑物之间的干扰效应不容忽略(见图3).图2 测压模型测点布置(单位:m)图3 某电厂冷却塔工程Ⅰ期、Ⅱ期平面布置图1.2 符号定义冷却塔表面测点i处的压力系数CPi为其中:Pi为作用在测点i处的压力，P0和P∞分别为试验时参考高度处的总压和静压.结构整体阻力系数CD为其中:Ai为第i测点压力覆盖面积，θi为第i测点压力方向与风轴方向夹角，AT为结构向风轴方向投影面积.定义多塔比例系数KD为其中:CDm为给定流场下多塔整体阻力系数极值，CDs为相应流场条下单塔整体阻力系数极值.1.3 实验结果表1给出了不同的冷却塔组合工况在不同的来流风向角下的整体阻力系数均值和最大值以及多塔比例系数的数值，由表1可以看出，工况8下来流角度247.5°是四塔组合时最不利来流角度.在A、B、C、D 4类不同地形、地貌典型工程场地条件下，进行了冷却塔单塔气弹模型风振试验.冷却塔不同高度位置刚度变化较大，风振响应平均位移值亦有明显差别.表2中亦比较了试验与规范风振系数取值，规范值介于试验结果不同位移幅值风振系数取值之间，冷却塔风振系数与平均风振响应、所处塔筒高度及环向位置有关.对于Ⅰ、Ⅱ期冷却塔工程(含周边其他建筑)最不利来流角度(247.5°)来流，气弹模型风振系数和刚体测压试验多塔比例系数均明显超出单塔试验结果约20%～40%.两类试验对比可以说明临近的同等尺寸其他建筑对于冷却塔的干扰效应不容忽略.将刚体测压和气弹测振试验所得到的表面不对称风压和多塔比例系数以及风振系数用作本文冷却塔风载作用输入参数.表1 冷却塔四塔组合最不利来流工况列表1 ) 0.422 0.572 1.179 202.5 2 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期3#塔)中的1#塔0.448 0.551 1.137 180 3 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期3#塔)中的2#塔0.423 0.511 1.053 180 4 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期4#塔)中的1#塔 0.447 0.558 1.151 180 5 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的1#塔0.449 0.555 1.145 180 6 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的2#塔 0.431 0.532 1.097 202.5 7 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的3#塔0.499 0.617 1.271 112.5 8 (Ⅰ期双塔+Ⅱ期双塔)中的4#塔Ⅰ期双塔中的2#塔0.536 0.647 1.333 247.5表2 冷却塔典型场地风振系数试验结果位移区间断面编号测点位置场地类别A BC D 1.71 1.77 1.82 1.94 5 1.62 1.67 1.73 1.83 10～15 cm 迎风向4 1.44 1.501.54 1.64 6 3 1.68 1.74 1.79 1.91 1.97 1.97 1.97 1.98 10～15 cm 5 侧后风向1.84 1.85 1.85 1.86 4 1.62 1.63 1.63 1.64 62.34 2.37 2.38 2.52 5 2.34 2.322.523.29 5～10 cm 其他测点4 2.06 2.19 2.35 2.07 6 3 1.90 2.12 2.12 2.512 地震作用2.1 反应谱根据江苏省地震工程研究院提供的本场地三期扩建工程地震安全性评价工作报告，50年超越概率10%条件下，拟建厂址基岩水平向地震动峰值加速度值为0.087 g;地表水平向地震动峰值加速度值为0.121 g，特征周期为0.5 s，水平地震影响系数最大值为0.3.相应地震基本烈度为VII度.拟建场地覆盖层的平均等效剪切波速为200 m/s，场地土类型属中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类，为可进行工程建设的一般场地.建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)规定，场地设计地震动加速度反应谱取为图4为本文采用江苏省工程地震研究院所提供的场地地表加速度反应谱.地震的激励采用水平向+竖向输入方式，其中竖向反应谱采用相应的水平向反应谱，竖向地震系数取相应水平地震系数的0.65.图4 场地水平地震加速度反应谱2.2 线性反应谱分析线性反应谱分析采用振型分解法，结构总体阻尼采用0.05，考虑到本工程规模超出建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)的适用范围，本文计算结果仅给按SRSS 组合后的水平向、竖向地震组合输入响应，即其中:地震效应折减系数ξ=0.35.3 风载与地震作用对比分析3.1 结构建模冷却塔结构建模采用离散结构的有限单元方法，冷却塔塔壁离散为空间壳单元，顶部刚性环基与环基连接的52对人字柱采用空间梁单元模拟，结构312根桩基础采用空间弹簧单元模拟，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端固结约束.有限元计算模型的总体坐标系以沿高度方向为Z轴，水平向对称结构分别为X轴和Y轴，其中X轴为顺风向，Y轴为横风向，符合右手定则.由此建立如下模型.通风筒壁建立环向416个单元，子午向107(含2个刚性环单元)个单元.冷却塔通风筒特性如表3，冷却塔采用Φ 1 300 mm 52对人字柱，7 500×2 500 mm环基离散为104个空间梁单元，桩基础为Φ 1 000 mm 312根弹簧单元，前4阶动力特性计算分析结果如表4所示.3.2 环基受力性能对比分析冷却塔环基设计截面为7 500 mm × 2 500 mm的矩形连续环形基础，环基离散为104个空间梁单元.计算时基本风压取为0.35 kPa，选择风洞试验测量得到的冷却塔筒体外表面实际压力分布加载，地震作用按七度计算，采用振型叠加法求解，现提供风、地震作用下环基内力对比图(如图5).从图5(a)中可以看出，环基在地震作用下的轴力最值为±1 505 kN，在风载作用下的轴力最值－1 171 kN，且在第20个节点处达到最小值，对应的偏角70°正好是受到群塔干扰后的迎风面正吹风角度.图5(b)到图5(e)分别给出了环基径向剪力与弯矩、竖向剪力与弯矩的对比图，可以明显地看出，这四种内力都是在风载作用下的数值远大于在地震作用下的数值，并且都是在偏角70°时出现最值.环基的轴力受地震和风载共同作用控制，而径向和竖向内力完全由风振控制，并且与地震作用不同的是在不同的角度数值差别较大，设计时应特别注意群塔或周边建筑干扰后的迎风面位置的内力数值.表3 冷却塔通风筒特性离地高度/m 筒壁壁厚/m 中心半径/m 12.216 1.400 67.347 37.405 0.340 59.380 62.594 0.330 51.656 87.784 0.320 45.685 100.378 0.310 43.123 112.973 0.300 41.103 125.568 0.271 39.731 138.162 0.271 39.132 150.757 0.271 39.229 177.150 0.271 39.543表4 冷却塔自振频率和振型描述3.3 人字柱受力性能对比分析52对冷却塔人字柱设计采用Φ 1 000 mm钢筋混凝土柱，采用空间梁单元模拟.对于人字柱来说，主要承受轴力、剪力和弯矩3个内力作用.表5给出不同荷载工况下人字柱受到的最大轴力、剪力和弯矩的数值大小.从表5中可以看出，不管是风载、地震作用还是自重，对于人字柱的轴力、剪力和弯矩的影响不是很大，基本都是在同一数量级，只是在自重的作用下所有人字柱只存在受压的轴力，而对于风和地震作用下同时存在拉力和压力.由于冷却塔是对称的旋转薄壳结构，人字柱受到的弯矩和剪力都比较小，每延米最大弯矩485 kN·m出现在风载作用下，从历史上冷却塔的事故中也发现，大多都是塔筒或是环基出现破坏，很少有人字柱发生破坏的，设计时需要注意的是人字柱和环基及壳体连接部位的构造措施.图5 风和地震作下环基不同内力对比图表5 不同荷载组合人字柱每延米最不利内力及其对应的其他内力数值内力编号组合工况轴向最大压力时轴向最大拉力时最大弯矩时轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m)轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m)轴力/ kN剪力/ kN弯矩/ (kN·m) 1－3 846 33 119 －3 611 55 160 －3 611 55 160 2静风－2 773 41 291 2 720 57 339 2 141 71 485 3 温度(冬季) －16 59 197 －16 59 197 －16 59 545 4 温度(夏季) 6 22 96 6 22 96 6 22 178 5地震自重±2 264 ±72 ±422 ±2 264 ±72±422 ±22 464 ±72 ±4223.4 塔筒受力性能对比分析塔筒上的受力是冷却塔设计中最受关注的部分，其受风荷载的空间分布模式影响极大，由于塔筒是空间薄壁高耸结构，其振型极其复杂，要求地震作用时对于高阶振型的贡献问题需要考虑.塔筒环向和子午向内力均按划分的单元数和模板层数给出，子午向内力按每层模板端部内力总共给出106个结果，环向为每层竖向最大内力单元所对应内力值.图6分别给出了子午向、环向的每层最大内力和弯矩的数值对比图，从图中可以看出，对于塔筒这种旋转薄壳结构体系，风载作用下环向和子午向内力都大于地震作用下的内力数值，对于风载和地震作用下子午向和环向内力，从塔筒底部到塔顶逐渐变小，而风载作用下的子午向和环向弯矩最大值则出现塔筒的中部区域，地震作用下的子午向弯矩基本不随高度的变化而改变，地震作用下的环向弯矩最大值也出现在塔筒中部位置.3.5 参振模态数目的影响为了研究参振模态数目对风振作用下响应的影响，利用频域计算方法(自行编制的动力计算程序RSFM)加载风洞试验得到的风压分布模式进行分析.选取风向角为0度，风速为141m/s(相当于风洞中的10 m/s)时的工况进行分析.图7给出了选取不同参振模态数目下的冷却塔喉部位移标准差.可以看出，当参振模态为10时，位移标准差较小，高阶模态对位移的贡献还比较大，当参振模态数目为30时，位移标准差区域稳定，当参振模态为50时高阶模态对位移的贡献已经非常小，所以计算冷却塔风载作用下位移响应时取30个参振模态数即认为可以满足要求.图6 风和地震作用下塔筒不同内力对比图对于地震作用下的响应采用振型分解法，计算发现水平向和竖向质量参与系数最大的振型分别为第33阶和第186阶，因此线性反应谱分析应充分计入高阶振型的效应，本次计算中取前300阶时，X、Y和Z方向的质量参与系数均达到99.9%以上.可以得出，地震作用下的响应计算需要考虑高阶的振型影响，而对于风载作用下的响应计算只需考虑30阶模态数即可满足.图7 参振模态数对位移标准差的影响4 结论1)基于超大型冷却塔0.35 kPa基本风压下风振和七度区地震作用的有限元分析可知，环基主要受风振控制，其在风载作用下的内力数值远大于地震作用下的数值，并且在不同的角度内力差别较大，应注意群塔或周边建筑干扰后的迎风面位置的内力数值.2)不管是风载、地震作用还是自重，对于人字柱的轴力、剪力和弯矩的影响不是很大，基本都是在同一数量级，设计时需要注意人字柱与环基及壳体连接处的构造措施.3)塔筒完全受风振控制，风载作用下环向和子午向内力及弯矩都大于地震作用下的数值，对于风载和地震作用下子午向和环向内力，均从塔筒底部到塔顶逐渐变小，而风载作用下的子午向和环向弯矩最大值则出现塔筒的中部区域，地震作用下的子午向弯矩基本不随高度的变化而改变，环向弯矩最大值也出现在塔筒中部位置.4)采用频域计算结构响应时，地震作用下的响应计算需要考虑300阶的振型影响，而对于风载作用下的响应计算只需考虑30阶模态数即可满足.参考文献:［1］ORLANDO M.Wind-induced interference effects on two adjacent cooling towers［J］.Engineering Structure，2001，23:979－992.［2］NIEMANN H J，KOPPER H D.Influence of adjacent buildings on wind effects on cooling towers［J］.Engineering Structure，1998，20(10):874－80.［3］BUSCH D，HARTE R，KRATZIG W B，et al.New natural draught cooling tower of height［J］.Engineering Structures，2002，24(12):1509－21.［4］武际可.大型冷却塔结构分析的回顾与展望［J］.力学与实践，1996，18(6):1－5.［5］陈凯，魏庆鼎.冷却塔风致振动实验研究［C］//第十一届全国结构风工程学术会议论文集.上海:同济大学出版社，2003.177－182.［6］赵林，葛耀君.双曲薄壳冷却塔气弹模型的等效梁格设计方法和实验研究［J］.振动工程学报，2008，21 (1)，31－37.［7］赵林，李鹏飞，葛耀君.等效静风荷载下超大型冷却塔受力性能分析［J］.工程力学，2008，25(7)，79－86.［8］赵林，葛耀君，许林汕，等.超大型冷却塔风致干扰效应试验研究［J］.工程力学，2009，6(1)，149－154.［9］许林汕，赵林，葛耀君.超大型冷却塔随机风振响应分析［J］.振动与冲击，2009，28(4)，180－184.［10］刘若斐，沈国辉，孙炳楠.大型冷却塔风荷载的数值模拟研究［J］.工程力学，2006，23(1)，177－184.［11］中华人民共和国建设部.GB/T 50102—2003工业循环水冷却设计规范［S］.长春:东北电力设计院，2003.。
考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析
考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析沈国辉;王宁博;鲍侃袁;孙炳楠;楼文娟【摘要】采用有限元方法模拟大型双曲冷却塔的土体与结构相互作用(SSI),分析不同土体条件下自振特性的特征,基于风洞试验结果进行风致响应的计算,并分析不同土体条件下响应的差别.研究表明:土体刚度越小,土体结构体系的自振频率也越小；土体对冷却塔上半部分的子午向薄膜力影响较小,对下半部分影响较大；考虑SSI 效应后,平均风作用下冷却塔径向位移增大,子午向薄膜力减小,脉动风作用下径向位移均方根增大,子午向薄膜力均方根几乎不变.%The finite element method is employed to study the Soil-Structure Interaction (SSI) on the large hyper bolic cooling tower. The vibration characteristics of the cooling tower under different soil conditions are investigated and the wind-induced responses based on the wind tunnel test results are calculated. Then the difference of responses considering different soil conditions is analyzed. Results from this study show that the vibration frequencies of the soil structure system decrease when the stiffness of the soil decreases. The soil underneath the tower has insignificant influ ence on meridonial membrane forces for the upper part of the cooling tower, but has significant influence for the lower part of the tower. Under mean wind load action, the radial displacement of the cooling tower will increase and the me ridonial membrane force will decrease when considering SSI. Under dynamic wind loads action, the Root-Mean-Square of radial displacements will increase and the Root-Mean-Square of meridonial membrane forces will keep mostly un changed when considering SSI.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)006【总页数】7页(P777-783)【关键词】冷却塔;风荷载;有限元;结构土体相互作用;自振特性【作者】沈国辉;王宁博;鲍侃袁;孙炳楠;楼文娟【作者单位】浙江大学土木工程学系,杭州310058;中国建筑西北设计研究院,西安710003;浙江大学建筑设计研究院,杭州310027;浙江大学土木工程学系,杭州310058;浙江大学土木工程学系,杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TU312.10 引言大型自然通风冷却塔是一种双曲线型钢筋混凝土薄壁结构，由于其体型庞大，壁厚很薄，风荷载成为其主要的控制荷载。
大型冷却塔双塔干扰的风洞试验研究
振 第 ３ 第 ３期 ０卷
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＡＴＩ ＢＲ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ ＨＯＣＫ
大 型 冷 却 塔 ห้องสมุดไป่ตู้ 塔 干 扰 的风 洞 试 验 研 究
沈 国辉 。 ，余关鹏 ，孙炳楠 ，楼文娟 ，李庆祥 ，杨仕超
（ ． 江 大学 土 木 工 程学 系 ， 州 １浙 杭 ３ ０５ ；． 东 省 建 筑科 学研 究 院 ， 州 １０ ８２ 广 广 ５ ００ ） １５ ０
ｔｗｅｓ ｏ ｒ ．Ｔｈ ｅ ｈ ｉ ｕ ｆａ ｄ ｎ ｏ ｇ ｅ ｓｏ ｏ ｅ ｕ ａ ｅ ｗａ ｐ ｉ ｄ ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ｈ ｙ ｏｄ ｕｍｂ ｒｅｆ ｃ ｕ ｏ ｅ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｏ ｄ ｉ ｇ ｒ ｕ ｈｎ ｓ ｎ ｍ ｄ ｌｓ ｒ ｃ ｓａ ｐｌ ｏ ｃ ｍｐ ｎ ａｅ ｔ ｅ Ｒｅ ｎ ｌ ｓｎ ｆ ｅ ｅ ｆ ｔｄ ｅ ｔ ｅ
ｔ ｅｓ ｒｇｃｅ ｃ ｎｓ ｌ ｏｆｃ ｎｓ ｎ ａｅｓｅｒ ｏｆｃ ｎｓ ｎａ ｏ ｔ ｗ ｒ ｎ ｎｔｏａｊｃｎ ｗ ｒ ｗ ｒ ｏ ｒ．Ｄ ａ ｏｆ ｉ ｔ， ｉ ｃｅ ｉ ｔ ａ ｄｂ ｓ ａ ｅ ｉ ｔ ｏ ｎｉ ｌ ｅ ｔ ｅ ｄｏ ｄａｅｔｏ ｅｓ ｅｅ ｗ ｉ ｅ ｔ ｆ ｉ ｅ ｈ ｃ ｉ ｅ ｓａ ｄｏ ａ ｗ ｔ
基于完全气动弹性模型的冷却塔干扰效应风洞试验研究
影响建筑结构风洞试验结果因素浅解
影响建筑结构风洞试验结果因素浅解随着我国市场经济的不断发展，国内建筑工程建设的规模和周期也越来越大。
在整个建筑工程结构进行风洞试验的过程中影响整个试验的因素也越来越多，给整个建筑工程结构的稳定性带来的影响也越来越大。
1影响建筑结构风洞试验的相关因素根据相关的数据表明，影响建筑结构风洞试验的相关因素主要有：紊流风强度以及相关的积分尺寸、Jensen参数、建筑结构内部存在的雷诺数效应以及试验所用的模型参数等，现将其分述如下：1.1紊流风强度以及相关积分尺寸给建筑结构风洞试验带来的影响在进行建筑结构风洞试验的过程中要想保证风速的整体剖面、紊流积分尺寸以及紊流强度剖面等相关紊流风参数的相一致是非常困难的，这就造成在进行建筑结构风洞试验的过程中经常采用部分模拟的方法，所谓的部分模拟就是在试验的过程中根据试验研究的不同目的，选择性的满足相关的紊流风因素，这就造成在进行试验的过程中很难保证全面实现对于紊流风强度的恒定控制，给整个建筑结构风洞试验带来较大的影响。
此外，根据相关的实验表明，随着相关紊流积分尺寸参数的变化，给整个建筑结构风洞试验带来的影响相对于紊流强度的变化造成的影响不明显，但是基本上与格栅的实际宽度的变化相一致，但当整个中心孔的尺寸太大时，通过增加栅格条的宽度来实现紊流积分尺寸的增大比较困难，其整体的变化较小，基本上维持在十厘米左右。
此外，在进行试验的过程中，同一类型的格栅总紊流强度几乎不随着风速变化的变化而发生变化。
当固定的格栅内部中心的内部方孔尺寸确定后，风流内部紊流的强度随格栅宽度的增大而增大，格栅越快，紊流的强度越高，试验所得到的相关的数据的波动性就越大，反之得到的数据越好。
当格栅的总体宽度不发生变化时，格栅内部中心孔的尺寸越小，试验所能得到的风流紊流强度也就越小，这样得到的风流紊流规律的科学性与中心孔内部尺寸的变化带来的规律性有一定的差距。
1.2Jensen参数给建筑结构风洞试验带来的影响通过相关的试验均表明，Jensen参数的变化给整个建筑结构风洞试验带来的影响是比较大的。
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基于风洞实验的冷却塔空腔区范围影响因素研究沈凡卉;徐振;杨光俊;郝天明【摘要】目的基于火电厂采用\"烟塔合一\"排烟方式时可能由于污染物下洗造成\"空腔区\"内地面高浓度等问题,分析空腔区范围,以科学设置环境防护距离.方法采用相似理论,将10个\"烟塔合一\"火电厂及地形按几何比缩小至风洞实验室内,通过测量冷却塔后方湍流度,并对比背景湍流度的方法,分析不同冷却塔形状以及不同下垫面条件下冷却塔空腔区的尺寸.结果空腔区的高度、宽度与冷却塔高宽比存在正相关性,山地地形更有利于湍涡耗散,而使空腔区范围较平坦地形更小,厂区内大型建筑物位置会对冷却塔空腔区的范围产生影响.试验分析得出,冷却塔空腔区范围基本在冷却塔高度的2倍以内,高宽比越大,则空腔区范围越小,地形越复杂,空腔区范围越小.结论火电厂采用\"烟塔合一\"排烟方式时,建议优先选择高宽比大的塔型,以降低排烟冷却塔对周围环境影响的可能性.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2019(016)006【总页数】6页(P72-77)【关键词】烟塔合一;风洞实验;空腔区;冷却塔形状【作者】沈凡卉;徐振;杨光俊;郝天明【作者单位】国电环境保护研究院有限公司,南京 210031;国电环境保护研究院有限公司,南京 210031;国电环境保护研究院有限公司,南京 210031;国电环境保护研究院有限公司,南京 210031【正文语种】中文【中图分类】X515火电厂“烟塔合一”技术将烟囱设置在冷却塔内，利用冷却塔热力抬升来排放烟气[1]。
该技术起源于德国，可简化火电厂的烟气系统，减少设备投资，并节约土地资源[2]，因此在世界各地得到应用[3-4]。
德国采用“烟塔合一”的火电装机总容量超过1200×104 kW，最大单机容量达97.8×104 kW[5]。
我国自2005 年引进该技术，目前最大单机容量也达100×104 kW。
Schatzmann 等采用风洞模拟“烟塔合一”污染物扩散特征，认为环境风速较大时，污染物会出现下洗[6]。
国内采用实地勘测、风洞实验以及数值模拟等技术对冷却塔结构及烟气抬升情况的研究表明，“烟塔合一”污染物下洗的原因为冷却塔背风面会产生“空腔区”[7-9]，下冼可能造成“空腔区”内地面高浓度及小水滴呈酸性沉降等问题。
空腔区是指当流体流过钝头物体时，在物体的下游边界处会发生流动分离现象，背风侧的分离区中会出现低压区。
与圆柱体类似，冷却塔后方不会产生像长方体那样固定的水平涡，而是在圆柱体的两侧交替产生垂直轴的涡，且不断脱落，流向下游，形成卡门涡街。
卡门涡街组成的尾迹区也是低压区，压力要比圆柱体前面的来流压力低得多，湍流强度也比较大。
目前，对空腔区范围的研究主要集中在长方体和圆柱体，而冷却塔水平截面是圆形的，外形在垂直方向是双曲面，不能简单地用长方体和圆柱体的经验公式计算，通过风洞试验可提高冷却塔空腔区范围确定的准确度[11]。
文中采用风洞测量湍流度的方法来确定“烟塔合一”冷却塔空腔区的范围，并分析影响空腔区范围的主要因素，为科学设置“烟塔合一”环境防护距离提供理论支撑。
1 物理风洞的试验理论及方法1.1 试验设计国电环境保护研究院有限公司环境风洞为双实验段风洞，主要技术性能为：第一实验段宽3.5 m、高2.2 m、长20 m，风速调整范围为0.1～6.4 m/s；第二实验段宽1.5 m、高1.2 m、长20 m，风速调整范围为0.5～25 m/s。
本次试验在第一试验段中进行。
为获得空腔区的三维尺寸，需要测量空腔区的垂直范围（主要测量空腔区高度和下风向长度）和水平范围（主要测量下风向长度和宽度）。
原型流动中，环境风速为1 m/s，按冷却塔的代表性直径120 m 计算，其流动雷诺数达到8×106，将会产生稳定的湍流卡门涡街。
为了使模拟实验也能产生稳定的卡门涡街，应使模拟试验的雷诺数在300～3×105 范围内[12]（约相当于模拟试验的流速在0.045～45m/s 之间）。
同时为了使模拟的空腔区更接近实际，采用塔顶处模拟试验的风速为2.4 m/s。
1.2 试验相似理论1.2.1 几何相似几何相似主要指试验模型要按一定的几何缩比制作和布置，许多对流动有重要影响的细节也必须一定程度上在模型中再现。
在原型流中，尺寸小于粗糙度长度的细节，不必在模型中再现；与粗糙度长度相同等级的几何形状也不必精确地再现，但要用等价粗糙度代替；尺寸大于粗糙度长度的几何形状就要精确地再现。
有时还要强化粗糙度，以使流动成为充分发展的湍流。
几何相似除了要求将现场地形地物按几何缩比制作模型外，还要求模拟边界层的粗糙度长度z0m与其对应的真实大气边界层中粗糙度长度z0p之比等于几何尺度比L，模拟试验中采用的几何比通常为1∶400～1∶600。
1.2.2 运动相似运动相似是指要再现大气边界层中的风速、湍流结构分布。
模拟近地层，选择对数分布的风廓线，因为在近地层中，风速在垂直方向的分布符合下述形式（中性稳定度时）：式中：为平均风速，m/s；u*为摩擦风速，m/s；z 为地面以上的高度，m；z0 为粗糙度长度，m；k 为卡门常数，k=0.4；如果模拟整个边界层，通常选择指数风廓线，也就是风速随高度的变化符合下述形式：式中：u10 为参考高度z10 上的平均风速，m/s；p为风廓线指数，与大气边界层的稳定度有关。
通常火电厂的烟囱、冷却塔以及主要设备的厂房都比较高，必须模拟整个大气边界层，因此通常都选择指数风廓线进行模拟。
1.3 测量方法1.3.1 湍流度的测量使用IFA300 智能流动分析仪测量风速廓线和湍流强度，测量探头为直径20 μm、长6 mm 镀铂膜的玻璃丝，对流场基本没有干扰，响应频率可达40 kHz以上，非常适用于测量流动的湍流特性。
相关试验单次采样时间为8 s，采样频率为1000 Hz。
为了减少时间尺度大于8 s 的脉动对湍流测量数据的影响，对每一个采样点，重复采样12 次。
采样后计算各轮各网格点上的湍流强度平均值和标准差。
计算每个网格点上每个样本的平均风速和湍流强度：计算每个网格点上平均湍流强度和其标准差：1.3.2 空腔区的判定方法由于空腔区是流动在物体表面分离后形成的，其内部有大量分离涡旋和回流，通常空腔区中的湍流强度明显大于背景流动的湍流强度。
据此，可以测量物体下风向的湍流强度，以湍流强度相对于背景湍流突然增大的位置来确定空腔区的边界。
在环境影响评价中，通常取湍流度大于背景值加上2 倍标准差[14]。
1.3.3 坐标轴定义x 轴正方指向下风向，z 轴垂直向上，y 轴垂直于风向，与x、z 轴组成右手坐标系。
坐标原点设置在下游塔底边背风沿中点。
1.3.4 研究对象对10 个火电厂“烟塔合一”进行风洞试验分析其空腔区的范围，相关参数见表1，试验现场如图1 所示。
表1 试验的“烟塔合一”火电厂冷却塔参数序号项目名称建设规模/MW 地形特点塔数量/个冷却塔高度/m 冷却塔出口直径/m 冷却塔底部直径/m 1 A 电厂2×1000 平坦地形 2 189 82.4 137.5 2 B 电厂2×600 山地地形 2 180 85 138.33 C 电厂2×350 近处平坦 2 130 47.89 774 D 电厂2×350 平坦地形 1 165 103 171.47 5 E 电厂2×350 平坦地形 2 140 62 1126 F 电厂2×350 平坦地形 2 120.3 45 1057 G 电厂2×300 平坦地形 2 110 52 878 H 电厂2×300 平坦地形2 120 47 85.79 I 电厂2×660 平坦地形 2 176 103 148 10 J 电厂2×1000 平坦地形 2 205 114 192图1 不同塔型、不同下垫面类型烟塔现场测试图2 结果与分析2.1 下垫面条件对空腔区范围的影响以A 和B 电厂为例，分析下垫面条件对空腔区范围的影响，其中A 电厂位于平坦地形，B 电厂为山地地形，两电厂冷却塔的高度比较接近（如图1a、b所示）。
根据冷却塔后湍流度测量数据（表2、表3），分析冷却塔空腔区的范围。
1）空腔区高度。
在紧邻塔下游的x=0 处，湍流发展比较旺盛，最高值可达43.4%，空腔区的高度边界较明显，高度可至380 mm（相当于1.2 倍塔高）。
下风向距离315 mm（相当于1 倍塔高）处，湍流强度略有降低，但空腔区的高度没有变化，高度仍保持在380 mm。
下风向距离630 mm（相当于2 倍塔高）处，空腔区高度降低为250 mm，相当于原型高度150 m。
下风向距离1260 mm（相当于4 倍塔高）处，湍流度为背景湍流度加上2 倍标准差的范围内，空腔区消失。
表2 下风向不同距离处、不同高度的平均湍流度（模型） % 离地高z/mm 下风向距离x/mm 110.0 157.5 200.0 250.0 315.0 340.0 360.0 380.0 400.0 420.0 0 30.6 37.4 38.6 37.4 43.4 40.9 32.8 27.3 19.8 19.6 150 38.2 35.6 35.8 31.8 36.7 32.0 30.7 26.7 20.2 17.3 315 35.5 33.0 30.2 28.0 28.4 25.3 24.3 23.4 19.5 15.9 450 33.1 27.4 26.6 26.4 24.4 23.0 20.9 21.9 18.0 16.9 630 29.9 29.1 22.7 22.3 19.4 20.1 19.0 18.4 16.7 14.2 700 28.6 26.1 23.3 23.9 19.6 18.2 20.2 17.1 16.1 16.6 800 25.9 23.3 23.8 21.2 19.5 18.0 17.3 17.6 16.4 14.3 900 25.2 22.3 22.9 20.0 18.6 20.5 16.3 17.1 17.3 16.4 1000 22.3 22.2 21.6 19.8 18.2 17.2 17.1 15.8 14.8 15.5 1100 23.0 23.0 19.8 21.7 20.0 16.1 17.5 15.6 13.7 13.5 1260 19.4 18.8 21.5 18.9 18.5 17.5 17.8 16.8 12.9 14.9 背景湍流度13.6 14.6 13.0 13.7 12.0 13.2 11.9 9.7 9.7 9.7 标准差σt 2.4 3.1 1.6 3.6 2.8 4.9 4.2 1.9 2.1 1.8表3 2/3 塔高处冷却塔下风向不同距离处水平宽度y 方向的平均湍流度 % 水平宽度y/mm 下风向距离x/mm -200 -180 -160 -140 -120 0 12.7 13.8 17.2 22.3 315 18.9 21.1 24.5 27.2 630 19.1 23.4 23.9 24.3 1260 16.8 17.0 18.1 19.3 30 60 90 120 23.9 31.5 25.3 20.7 140 -90 -60 -30 0 28.3 35.3 44.0 36.3 31.1 32.5 26.8 29.8 23.6 22.8 26.4 23.0 18.5 19.7 19.7 19.3 160 180 200 0 39.7 36.0 31.0 30.1 23.4 22.5 18.2 12.9 315 27.5 28.2 27.4 23.2 21.5 20.4 20.617.6 630 24.4 26.7 26.1 22.9 25.4 19.4 22.4 20.8 1260 19.2 21.8 20.7 20.2 22.3 19.0 19.0 18.02）空腔区长度。