陳政清++田靜瑩++牛華偉 陳謹林++羅樹青

摘要：為了獲得自然通風冷卻塔進風口導流板在風荷載作用下的受力特性以指導導流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用ANSYS對其進行了有限元仿真分析。結(jié)果表明：導流板的位移與應力隨剪刀撐的增多而減小，但減小的速度會逐漸減慢；導流板的位移與應力和導流板底部與基礎(chǔ)連接的螺栓數(shù)量無關(guān)，但與其布置的位置有明顯關(guān)系，螺栓位置越向外，導流板應力與位移越??；導流板位移與應力的最大值集中在最底部2根橫梁和2根豎向立柱處；在設(shè)計時剪刀撐的最優(yōu)數(shù)量為12對，底部固定螺栓只需4～5排，且應盡量靠外布置，最底部2根橫梁和2根豎向立柱的尺寸應比其余桿件大。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；導流裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元仿真；ANSYS

中圖分類號：TU279.7文獻標志碼：A

0引言

冷卻塔作為發(fā)電廠重要的冷端設(shè)備被廣泛使用，其作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進行熱交換，將廢熱傳輸給空氣并散入大氣。冷卻塔的分類方式有多種，[HJ]按通風方式分為自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔與混合通風冷卻塔。自然通風冷卻塔因運行費用低而更為經(jīng)濟，所以被廣泛使用[1]，它利用受熱空氣的自然浮力所產(chǎn)生的運動帶走熱量，這一工作特性使得冷卻效率必然明顯受到環(huán)境條件的影響（如環(huán)境大氣溫度、自然風等），尤其是橫向自然風的影響[2]。各國進行了大量自然風對冷卻塔冷卻性能影響的研究。趙元賓等[3]的研究表明側(cè)風會使塔縱向通風量降低，對填料區(qū)傳熱傳質(zhì)強度形成不利影響，使出塔水溫升高，而通過改善進風口空氣動力場可以降低環(huán)境側(cè)風的影響。高明等[4]的研究表明側(cè)風環(huán)境下冷卻數(shù)隨側(cè)風風速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。為降低環(huán)境側(cè)風的不利影響，白俄羅斯國家科學院發(fā)明了空氣動力渦流調(diào)節(jié)裝置（導流板）用來提高冷卻塔的效率。戴振會等[5]對比了某電廠采用導流板和未采用導流板的冷卻塔運行性能數(shù)據(jù)，驗證了在進風口安裝導流板后冷卻塔的冷卻性能得到了改善。徐士倩等[6]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，加裝導流板后冷卻塔背對來流的一側(cè)也有很大一部分氣流進入冷卻塔底部，增加了進氣量，且導流板改變了氣流的流向，產(chǎn)生氣流的正切扭轉(zhuǎn)，在冷卻塔內(nèi)部形成了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升氣流，使空氣旋轉(zhuǎn)上升，可以增加中心區(qū)域空氣擾動，增強換熱能力，改善冷卻塔的冷卻性能。周昊等[7]對導流板進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了其結(jié)構(gòu)參數(shù)與安裝角度，結(jié)果表明加裝導流板后冷卻塔內(nèi)水的溫降平均增加了1.2 ℃。為了使導流板達到最好的效果，金童[8]計算了導流板的安裝角度對冷卻塔性能的影響，當導流板與雨區(qū)圓周切線成45°放置時冷卻效果最好。胡丹梅等[9]對導流板的安裝角度、長度、安裝數(shù)量和形狀進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

之前的研究都是針對導流板對冷卻塔冷卻性能的優(yōu)化研究，而當冷卻塔處于沿海臺風區(qū)時，在風荷載作用下結(jié)構(gòu)本身的受力情況與優(yōu)化設(shè)計極其重要。相關(guān)設(shè)計規(guī)范條文與研究成果的缺乏致使導流板設(shè)計缺乏有效參考，對導流板的設(shè)計帶來了極大不便。鑒于此，本文以沿海某電廠冷卻塔導流裝置為研究背景，選取常見靜風作用形式對導流板進行受力分析，指出導流板的受力薄弱區(qū)，并在不影響導流板導流作用情況下進行結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)化。

1工程概況

1.1導流裝置結(jié)構(gòu)布置

某電廠冷卻塔位于浙江東南沿海島嶼丘陵區(qū)，屬于臺風多發(fā)區(qū)，累計年平均風速5.27 m·s-1，為中國同類型工程之最，自然側(cè)風對冷卻塔冷卻效果影響更大。為了減小自然側(cè)風的影響，在冷卻塔進風口人字柱外設(shè)置導流裝置。冷卻塔導流邊界導流裝置形式為玻璃鋼面板與鋼結(jié)構(gòu)骨架組成的復合體，整體結(jié)構(gòu)包括導流板本體、環(huán)向連桿、板間剪刀撐、安裝螺栓及預埋件等。

該電廠冷卻塔導流板平面如圖1所示，沿環(huán)向共設(shè)置72片導流板，且每片導流板與圓周的夾角均為85°。單片導流板鋼骨架如圖2所示，每片導流板鋼結(jié)構(gòu)骨架由6根橫梁、2根豎向立柱以及1根斜向立柱組成，在鋼骨架中使用玻璃鋼面板填充成整體。所有橫梁、斜向立柱以及外側(cè)的豎向立柱均為工字梁，內(nèi)側(cè)的豎向立柱為圓管鋼。導流板之間通過環(huán)向連桿連接成整體，環(huán)向連桿穿過工字型橫梁的腹板將各片導流板連為整體，見圖3。為提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，在導流板之間環(huán)向等間距設(shè)置剪刀撐，并在相同部位內(nèi)外共同布置2道交叉支撐，剪刀撐和單片導流板的連接點為圖2上的點1～6，其布置形式如圖4所示。導流板通過在底部橫梁上設(shè)置螺栓與地面連接，螺栓布置見圖5。

針對邊界條件難以準確界定的特點，計算分析中通過選擇較不利的支撐邊界條件來模擬實際結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)，主要包括：①環(huán)向連桿、剪刀撐與立柱和橫梁的連接、橫梁與立柱的連接采用鉸接，即形成支撐在承重梁或柱上的簡支梁構(gòu)件；②底部僅約束螺栓所在的節(jié)點，分別計算這些節(jié)點鉸支與固支狀態(tài)下的結(jié)果以確定底部邊界支撐的影響；③剪刀撐下端支點部位會承受較大的荷載，約束方式與螺栓部位的節(jié)點約束一致。結(jié)構(gòu)的橫梁、立柱、剪刀撐與環(huán)向連桿采用Beam188單元模擬，分別采用sectype，id，beam，I（工字型）與sectype，id，beam，ctube（圓管型）命令定義Beam188的梁截面，并使用secdata命令輸入截面的尺寸。結(jié)構(gòu)的玻璃鋼面板采用Shell63單元模擬，實際中玻璃鋼面板幾乎不能提供剛度，所以常數(shù)與彈性模量應定義得盡量小。

建立1片導流板的單元后，將坐標系原點移動至冷卻塔圓心位置并在柱坐標系下分別復制已建立的導流板節(jié)點與單元，完成所有導流板單元的建立。

使用endrelease，，-1，ball命令使環(huán)向連桿、剪刀撐與立柱和橫梁的連接、橫梁與立柱的連接變?yōu)殂q接。先選擇2種構(gòu)件單元的共節(jié)點，再選擇使用此節(jié)點的單元，通常會有3個單元，需要從中任意選擇2個屬于不同構(gòu)件的單元再使用endrelease命令，此時原節(jié)點處會自動生成另一個節(jié)點，取代被選擇的其中一個單元的原節(jié)點，新生成的節(jié)點與原節(jié)點之間只耦合了線位移，2個構(gòu)件單元就從共節(jié)點的固接變?yōu)榱算q接。