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*1

柯世堂， 杜凌云

(南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京　210016)



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*1

柯世堂†， 杜凌云

(南京航空航天大学 土木工程系，江苏 南京210016)

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.

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

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165m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215m，淋水面积18 300m2，喉部高度160m，中面半径49.64m，塔筒分段等厚，最小厚度0.26m，最大厚度1.8m.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5mm，厚0.1mm共计36条竖向通长粗糙纸带和来流风速10m/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10m/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.

表1　特大型冷却塔主要结构尺寸Tab．1　The size characteristics of main componentfor super large cooling tower

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.

角度/(°)图1　试验与规范压力分布比较曲线图Fig.1　Specifications for test results and comparisonof surface pressure distribution

图2　不同气动措施下模型尺寸示意图(mm)Fig.2　Detail sizes of four conditions with different aerodynamic measures(mm)

图3　不同气动措施下冷却塔刚体测压模型示意图Fig.3　The sketches of cooling towers with different aerodynamic measures

1.2结果分析

图4给出了子午向0～50m，50～100m，100～150m和150～215m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150～215m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.

环向角度/(°) (a)0～50 m高度

环向角度/(°) (b)50～100 m高度

环向角度/(°) (c)100～150 m高度

环向角度/(°) (d)150～215 m高度图4　4种冷却塔不同高度区域平均风压对比曲线Fig.4　Average wind pressure coefficientfor four types of cooling tower

图5给出了子午向0～50m，50～100m，100～150m和150～215m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0～50m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施下的脉动风压均方根逐渐接近无气动措施的分布曲线，且沿环向角度的变化规律趋于一致；在120°～240°角度范围内即背风区域不同气动措施对脉动风压的影响最为显著，在其他角度范围内区别相对较小.

环向角度/(°) (a)0～50 m高度

环向角度/(°) (b)50～100 m高度

环向角度/(°) (c)100～150 m高度

环向角度/(°) (d)150～215 m高度图5　4种冷却塔不同高度区域脉动风压系数均方根对比曲线Fig.5　 RMS fluctuating wind pressure coefficient for four types of cooling tower

2　动力特性分析

采用有限元方法分别对4种气动措施下的特大型冷却塔进行动力特性分析，图6给出了对应的有限元整体及局部模型，塔筒采用Shell63单元，子午向和环向分别划分为135和160个单元，支柱和环基采用Beam188单元，环基下部采用空间弹簧单元模拟弹性地基，每根桩基均采用3个力和力矩弹簧单元分别模拟桩沿竖向、环向、径向、绕竖向、绕环向和绕径向的作用，弹簧单元一端与环基刚性连接，另一端与地面固接约束，环基与支柱下部刚接，支柱上部与塔筒下部节点耦合.

图6　 4种冷却塔的整体和局部有限元模型Fig.6　Global and local finite element model of four types of cooling tower

图7给出了4种塔型前100阶频率对比曲线.图8给出了4种冷却塔第一阶振型对比图．由图可看出：无气动措施冷却塔首阶振型为环向谐波的有3个，竖向谐波的有2个，而3种气动措施下冷却塔第一阶振型特性完全一致，环向谐波有4个，竖向谐波2个且下部竖向谐波形状完整.由图可看出，四者基频分别为：气动措施2(0.657 0)> 气动措施1(0.656 6)> 气动措施3(0.656 2)> 无气动措施(0.643 8)；措施2冷却塔的各阶频率相比其他三者为最大，在0～60阶范围内，措施1和措施3两种冷却塔的频率十分接近.

振型阶数图7　4种冷却塔前100阶频率对比图Fig.7　The first 100 order frequency comparisonchart of four types of cooling tower

图8　第一阶振型对比图Fig.8　The first order modal contrast figure

3　同组风压下冷却塔的受力性能分析

本节均采用无气动措施冷却塔外表面的平均风压系数对4种冷却塔模型进行加载分析.

3.1环基与支柱响应

图9和图10给出了同一组风荷载作用下不同气动措施冷却塔环基径向位移曲线和支柱轴力曲线，由图分析可知：1)气动措施的设置对于环基侧风区域的径向位移影响最大，对背风区域影响相对略小，对迎风区域的环基径向位移影响最小，4者几乎吻合；2)不同气动措施下冷却塔的支柱轴力分布趋势一致，在侧风区和背风区局部支柱处略有差别.

环向角度/(°)图9　同组风荷载作用下冷却塔环基径向位移曲线Fig.9　The radial displacement curve of ring basecooling tower under the same wind load

支柱编号图10　 同组风荷载作用下冷却塔支柱顶部轴向力曲线Fig.10　The axial force curve of pillar top of coolingtower under the same wind load

3.2塔筒响应

图11给出了同一组风压下塔筒70°子午线上的节点径向位移和单元环向应力沿高度变化曲线图.由图可见当对不同气动措施冷却塔施加同一组风压时，70°子午线上的节点径向位移和单元环向应力几乎没有差别，仅在气动措施所在处高度及喉部有较小差别.

径向位移/m(a)节点径向位移

环向应力/Pa(b)单元环向应力图11　同组风荷载作用下冷却塔70°子午线上节点径向位移和单元环向应力曲线Fig.11　The node radial displacement and element hoop stress curves of 70° meridian ring under the same wind load

3.3整体稳定性验算

进行整体稳定性[12]验算的输入荷载组合为自重+K(风荷载+内吸力)，K为失稳特征值，失稳临界风速是K与基本风速的乘积，此时的风荷载均为无气动措施下冷却塔的表面风荷载.

计算得到4种气动措施下冷却塔的屈曲系数、临界风速及屈曲模态如表2所示.由表可知:1)气动措施的设置可以提高冷却塔的静风整体稳定性；2)同一风荷载作用下措施1对提高冷却塔整体稳定性的影响效果最好，此时对应的屈曲失稳临界风速为217.29m/s.

表2　同组风荷载作用下冷却塔屈曲模态Tab.2　Buckling mode for four types of cooling tower under the same wind load

4　风致响应特性

本节采用不同气动措施下对应各自的冷却塔外表面平均风压系数对四种冷却塔进行静风加载，具体研究不同气动措施及其风压分布对冷却塔受力性能和屈曲稳定的影响.

4.1环基位移

图12给出了不同气动措施下冷却塔环基的径向、环向和竖向位移曲线．由图可见：1)对应风荷载作用不同气动措施对冷却塔环基的变形影响作用较大，4种塔型位移变化规律一致； 2)不同气动措施对冷却塔的位移影响在侧风区域和背风区域影响较大，在迎风区域影响较小；3)冷却塔的竖向位移变化剧烈，不同范围内的节点竖向位移突变严重.

环向角度/(°) (a)径向位移

环向角度/(°) (b)环向位移

环向角度/(°) (c)竖向位移图12　4种冷却塔环基位移曲线Fig.12　The displacement curve of ringbase for four types of cooling tower

4.2支柱内力

图13给出了不同气动措施下冷却塔支柱顶部轴力变化曲线，按支柱倾斜方向分为奇数支柱和偶数支柱.由图看出：1)奇数支柱与偶数支柱轴向力呈轴对称；2)不同气动措施下冷却塔的支柱轴向力分布趋势几乎相同，无气动措施奇数和偶数支柱轴向力分别在支柱编号16～24范围内和编号24～32范围内突然减小，其它范围内冷却塔支柱轴向力以气动措施1作用下最大，以无气动措施作用下为最小，气动措施2和3对支柱轴向力影响相当.

支柱编号图13　4种冷却塔支柱顶部轴向力曲线Fig.13　 The axial force curve of pillar topof four types of cooling tower

4.3塔筒位移

选择迎风点(0°)、零压力系数点(30°)、负压极大值点(70°)及背风点(180°)4个代表性区域进行不同气动措施冷却塔的筒壁位移响应分析.图14给出了不同气动措施冷却塔在各自风荷载作用下的塔筒0°,30°,70°及180°子午线上径向位移随高度的变化曲线.对比分析可得：1)不同气动措施冷却塔在0°和70°子午线上节点径向位移在喉部以下比较接近，在喉部以上数值稍有差异，最大相差12.67%；2)在30°子午线上的径向位移差异较大，125m以下无气动措施冷却塔位移最大，带弧形导风板冷却塔位移最小，达到喉部高度后位移突然减小，其中以无气动措施冷却塔减小趋势最明显；3)180°子午线上节点位移在塔筒中下部以无气动措施冷却塔最大，达到喉部高度后位移均开始减小.

喉部壁厚较薄，属于冷却塔的薄弱部位，有必要对其径向位移分布特性进行研究.图15给出了4种气动措施下冷却塔的喉部径向位移随角度的变化曲线，可将0.00圆环假定为冷却塔喉部原形.由图可见4种冷却塔的喉部径向位移大小和变化趋势几乎一致，其中喉部最大径向负位移-0.041出现在正迎风角0°处，最大正位移0.036出现在±70°附近；在0°～45°范围内，径向位移为负，且逐渐减小；45°～70°范围内，径向位移为正，且逐渐增大；70°～100°范围内，径向位移为正，且逐渐减小；100°～180°范围内，径向位移先增大后减小至0继而增大至0.005左右.

径向位移/m(a)0°子午线

径向位移/m(b)30°子午线

径向位移/m(c)70°子午线

径向位移/m(d)180°子午线图14　塔筒典型子午线径向位移变化曲线Fig.14　The radial displacement curves of typicalmeridian ring for tower drum

图15　4种冷却塔喉部径向位移曲线Fig.15　 The radial displacement curvesof throat pf four types of cooling tower

4.4塔筒应力

以无气动措施冷却塔为例，图16提取了塔筒所有节点的环向和子午向应力等势线图．由图可发现环向和子午向应力较大值均出现在±70°左右，故后续以70°子午线上的应力值进行4种气动措施下冷却塔的应力对比研究.

环向角度/(°) (a)环向应力

环向角度/(°) (b)子午向应力图16　无气动措施冷却塔应力等势线图Fig.16　The stress to the equipotential chart ofcooling tower without aerodynamic measure

图17给出了70°子午向4种气动措施下冷却塔的环向和子午向应力沿塔高的变化曲线对比图.由图对比分析可见：1)4种冷却塔的环向、子午向应力沿塔高变化基本相同；2)由于自重的积累，塔筒底部应力最大，在气动措施设置高度处应力骤减；3)随着冷却塔标高的增大，应力逐渐减小，在喉部处略有突变，但总体趋势不变，冷却塔顶部壁厚较薄，平台外伸，应力突增.

环向角度/(°) (a)环向应力

环向角度/(°) (b)子午向应力图17　4种冷却塔70°子午线环向、子午向应力曲线Fig.17　The circular and meridian stress curve of 70° meridian ring of four types of cooling tower

5　静风稳定性分析

5.1计算特征值法整体稳定性验算

采用不同气动措施下对应各自的冷却塔外表面风荷载进行稳定性验算，计算得到4种气动措施下冷却塔的屈曲系数、临界风速及屈曲模态如表3所示.由表可知：1)气动措施的设置可以提高冷却塔的静风整体稳定性；2)措施2和3对冷却塔整体稳定性的影响效果相当，气动措施1对冷却塔的整体稳定性改善效果最为显著，对应的屈曲失稳临界风速为71.45m/s，小于统一风压分布模式下的临界风速71.7 0m/s.

表3　冷却塔屈曲模态Tab．3　Buckling mode for four types of cooling tower

5.2局部稳定性验算

采用规范[13-14]提出的屈曲应力计算方法分析冷却塔的局部稳定性.图18给出了4种气动措施下塔筒局部稳定系数云图，由于计算得到的不同部位局部稳定因子[15]数值相差较大，为便于对比，图中数值由实际局部稳定因子取对数给出.由图可见：1)4种气动措施下冷却塔的最小局部稳定系数为：无气动措施(4.34)<气动措施3(4.46)<气动措施2(4.50)<气动措施1(4.56)，出现位置大致相同，均在环向±75°附近、高度30～80m范围内，故在设计时应局部加固此处；2)无气动措施冷却塔的局部稳定因子最小，气动措施2下冷却塔的数值分布范围比其他三者广；3)气动措施1与气动措施3下冷却塔的数值分布相似，但后者偏于安全，故在局部稳定性方面，建议选择弧形导风装置进行气动措施设置.

环向角度/(°) (a)无气动措施

环向角度/(°) (b)气动措施1

环向角度/(°) (c)气动措施2

环向角度/(°) (d)气动措施3图18　 塔筒单元局部稳定安全系数Fig.18　Local stability safety coefficientof all tower drum elements

6　结　论

结合风洞试验和有限元分析，对不同气动措施下冷却塔表面风压特性和风致强度及稳定性进行了对比研究，得到主要结论如下：

1)不同气动措施对于大型冷却塔表面平均和脉动风压分布有一定影响，主要体现在0～50m高度区域内，最大影响量分别为27.69%和33.87%.随着塔高增加不同气动措施冷却塔表面环向平均和脉动风压分布逐渐与无气动措施的分布曲线接近，在150～215m高度区域内风压分布基本一致；不同气动措施对环向120°～240°角度范围内即背风区域的风荷载影响较大，对侧风区域和迎风区域影响相对较小；

2)针对不同气动措施对冷却塔风致位移和内力响应的影响，采用统一风压分布模式计算要比采用对应模型表面风压要小，而相应的屈曲失稳临界风速前者则要偏大为71.70m/s；

3)不同气动措施均可提高冷却塔结构基频,分别为：气动措施2(0.657 0)> 气动措施1(0.656 6)> 气动措施3(0.656 2)> 无气动措施(0.643 8)，且对冷却塔的振型影响较为显著；

4)不同气动措施对环基位移、筒壁位移和应力分布特性影响较小，但对支柱轴向力影响较大，带有外部进水槽的冷却塔轴向力最大，两种导风板对支柱轴向力的影响相当；

5)不同气动措施均可提高冷却塔的静风整体稳定性，其中以外部进水槽对冷却塔的整体稳定性改善效果最优，对应屈曲失稳临界风速为71.45m/s；增设外部进水槽冷却塔局部稳定因子值较大，在局部稳定性方面相对其他气动措施更为安全.

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Impact Study on Wind-induced Response and Stability for Super Large Cooling Tower with Different Aerodynamic Measures

KE Shi-tang†, DU Ling-yun

(Dept of Civil Engineering, Nanjing Univ of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu210016, China)

Tostudythewind-inducedstrengthandstabilitypropertiesoflargecoolingtowerswithdifferentaerodynamicmeasures,thepressuresoftherigid-bodymodelswithoutorwiththreedifferentaerodynamicmeasuresweremeasuredbythewindtunneltests.Anuclearsuper-largecoolingtowerinlandwasconsideredasthetestspecimen.Thesurfacewindmeanandfluctuatingpressurecharacteristicswereinvestigatedfromthetestresults.Furthermore,finiteelementanalysiswasconductedtoevaluatethedynamiccharacteristicsofnaturalvibration,thewind-inducedresponse,andtheoverallandlocalstability.Finally,theeffectiverulesofthedifferentaerodynamicmeasuresonwindresistanceforsuper-largecoolingtowerwereproposed.

superlargecoolingtowers;aerodynamicmeasures;windtunneltest;windpressurecharacteristic;wind-inducedresponse;stability

1674-2974(2016)05-0079-11

2015-07-04

国家自然科学基金资助项目(51208254)，National Natural Science Foundation of China(51208254)；博士后科学基金资助项目(2013M530255, 1202006B)作者简介：柯世堂(1982-)，男，安徽池州人，南京航空航天大学副教授

TU279.741

A

†通讯联系人，E-mail:keshitang@163.com