朱 鵬, 柯世堂

(南京航空航天大學(xué) 土木工程系, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

我國《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5339-2006)[1]中規(guī)定兩個(gè)冷卻塔之間的中心距不得小于基底直徑的1.5倍，但是對(duì)冷卻塔附屬設(shè)施和周圍建筑環(huán)境，如高大山體、煙囪、進(jìn)風(fēng)口處增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置及其它發(fā)電廠構(gòu)筑物對(duì)塔體的干擾效應(yīng)規(guī)范未做明確規(guī)定。已有研究[2,3]表明，冷卻塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮這些因素會(huì)導(dǎo)致風(fēng)荷載取值偏于不安全。Niemann[4]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了周邊干擾對(duì)塔筒表面平均和極值風(fēng)壓分布的影響，趙林等[5]系統(tǒng)研究了雙塔塔距、來流風(fēng)向角和流場(chǎng)條件對(duì)冷卻塔風(fēng)振系數(shù)的影響；沈國輝等[6]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析了不同塔間距和風(fēng)向角情況下冷卻塔的風(fēng)荷載分布規(guī)律；周旋等[7]對(duì)單塔、雙塔布置及雙塔與周邊山地環(huán)境布置三種狀態(tài)下的風(fēng)荷載進(jìn)行了探討；程霄翔等[8]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了八塔組合冷卻塔群之間的干擾效應(yīng)。但國內(nèi)外鮮有學(xué)者對(duì)增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置后的冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)特性進(jìn)行研究，更缺乏對(duì)增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后雙塔之間的風(fēng)荷載和干擾效應(yīng)的研究。

鑒于此，對(duì)內(nèi)陸某核電超大型冷卻塔(215 m)增設(shè)三種典型導(dǎo)風(fēng)裝置，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比研究了設(shè)計(jì)中最常用塔距的雙塔布置下不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒表面風(fēng)荷載和干擾效應(yīng)的影響，其中包括平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓、峰值因子、極值風(fēng)壓和干擾因子等參數(shù)。相關(guān)結(jié)論可為考慮導(dǎo)風(fēng)裝置的超大型冷卻塔設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值提供科學(xué)依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 模型參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

以內(nèi)陸在建的某核電超大型冷卻塔為例[9]，高度為215 m，塔頂外半徑53.2 m，喉部中面半徑49.5 m，進(jìn)風(fēng)口中面半徑78.1 m，通風(fēng)殼體采用分段等厚，最小厚度0.26 m，最大厚度1.3 m，塔筒由48對(duì)均勻分布的人字柱支撐。為滿足阻塞率小于5%，按1∶500縮尺比制作冷卻塔剛體測(cè)壓模型，冷卻塔外表面沿其子午向和環(huán)向布置12×36共432個(gè)表面壓力測(cè)點(diǎn)。

圖1給出了被測(cè)塔模型的測(cè)點(diǎn)布設(shè)與雙塔布置示意圖，被測(cè)塔和干擾塔的中心連線與來流風(fēng)向的夾角為風(fēng)向角θ，0°～180°風(fēng)向角每隔22.5°為一個(gè)工況，共計(jì)9個(gè)風(fēng)向角，0°風(fēng)向角為被測(cè)塔在前，干擾塔在后，取工程中常見塔間距1.5D(D為底支柱0 m直徑)。

(a) 測(cè)點(diǎn)布置高度

(b) 雙塔位置示意

(c) 風(fēng)洞試驗(yàn)雙塔布置示意

1.2 流場(chǎng)模擬結(jié)果

冷卻塔剛體測(cè)壓試驗(yàn)所用風(fēng)洞是一座具有串置雙試驗(yàn)段的全鋼結(jié)構(gòu)的閉口回流低速風(fēng)洞，主試驗(yàn)段寬3 m、高2 m、長20 m。風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，最大風(fēng)速可達(dá)45 m/s；測(cè)壓系統(tǒng)采用美國Scanivalve公司的電子掃描閥測(cè)壓系統(tǒng)。三角尖劈和地面粗糙元置于來流前部，用以模擬B類地貌的大氣邊界層，風(fēng)剖面指數(shù)α=0.15。圖2給出了B類流場(chǎng)實(shí)測(cè)的平均風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度和脈動(dòng)風(fēng)譜，可見風(fēng)場(chǎng)模擬的平均風(fēng)剖面及湍流強(qiáng)度和規(guī)范比較吻合，脈動(dòng)風(fēng)譜滿足工程要求。

1.3 試驗(yàn)工況

圖3給出了無導(dǎo)風(fēng)裝置和增設(shè)三種導(dǎo)風(fēng)裝置的冷卻塔剛體測(cè)壓模型示意圖，三種導(dǎo)風(fēng)裝置分別為外部進(jìn)水槽、矩形導(dǎo)風(fēng)板和弧形導(dǎo)風(fēng)板，三種導(dǎo)風(fēng)裝置均布設(shè)在大型冷卻塔進(jìn)風(fēng)口上端，導(dǎo)風(fēng)裝置的詳細(xì)尺寸見圖4所示。

(a) 平均風(fēng)速和湍流度剖面圖

(b) 脈動(dòng)風(fēng)譜對(duì)比示意圖

圖3 不同導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔剛體測(cè)壓模型示意圖Fig.3 The sketches of cooling towers with and without different air-deflectors

為方便下文敘述，定義：無導(dǎo)風(fēng)裝置為DF0，外部進(jìn)水槽為DF1，矩形導(dǎo)風(fēng)板為DF2，弧形導(dǎo)風(fēng)板為DF3。

圖4 不同導(dǎo)風(fēng)裝置模型的詳細(xì)尺寸示意圖Fig.4 Detail sizes of different air-deflectors

1.4 雷諾數(shù)效應(yīng)模擬

大型冷卻塔原形結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)風(fēng)速下雷諾數(shù)范圍為107～108之間。由于物理風(fēng)洞本身的局限性，難以簡(jiǎn)單通過提高試驗(yàn)風(fēng)速或增大結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸再現(xiàn)這種高雷諾數(shù)下表面繞流形態(tài)。類圓柱結(jié)構(gòu)繞流特性不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且還與表面粗糙度等因素有密切的關(guān)系，因此可通過適當(dāng)改變模型表面粗糙度來近似模擬高雷諾數(shù)時(shí)的繞流特性[10]。

通過比較了多種改變表面粗糙度方案，最后確定采用在表面貼粗糙紙帶(沿圓周均勻分布二三間隔寬5 mm、厚0.1 mm，總計(jì)36條豎向通長粗糙紙帶)和調(diào)整試驗(yàn)風(fēng)速(10 m/s)手段來模擬高雷諾數(shù)效應(yīng)[11]。由圖5(a)可知表面貼粗糙紙帶在10 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下冷卻塔中間斷面壓力系數(shù)分布與規(guī)范值吻合較好。

圖5(b)給出了無導(dǎo)風(fēng)裝置的冷卻塔塔筒典型斷面脈動(dòng)風(fēng)壓與國內(nèi)外實(shí)測(cè)[11-12]及風(fēng)洞試驗(yàn)[13]分布曲線對(duì)比示意圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的脈動(dòng)風(fēng)壓分布趨勢(shì)和數(shù)值均與已有實(shí)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果接近，考慮到脈動(dòng)風(fēng)壓分布與實(shí)測(cè)塔所處的地形、來流湍流和周邊干擾密切相關(guān)，因此本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)得到的脈動(dòng)風(fēng)壓具有一定的有效性，可用于后續(xù)的風(fēng)荷載隨機(jī)分布特性研究。

(a) 各工況單塔試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范表面壓力分布對(duì)比

(b) 風(fēng)洞試驗(yàn)[13]、國內(nèi)外實(shí)測(cè)和本文試驗(yàn)脈動(dòng)風(fēng)壓結(jié)果對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)壓系數(shù)

限于篇幅，圖6給出5個(gè)典型風(fēng)向角下塔筒典型斷面(第3和9層)平均壓力系數(shù)值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：45°風(fēng)向角下被測(cè)塔與干擾塔局部區(qū)域呈現(xiàn)較為顯著的“夾道效應(yīng)”，導(dǎo)致DF0的負(fù)壓區(qū)壓力系數(shù)增大了0.16；增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后，塔筒下部背風(fēng)面壓力系數(shù)呈現(xiàn)出明顯波動(dòng)，以DF1最為顯著。風(fēng)向角90°時(shí)，“夾道效應(yīng)”最為明顯，塔筒下部側(cè)風(fēng)面負(fù)壓極值區(qū)壓力系數(shù)小于-1.0，且增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后第3層測(cè)點(diǎn)背風(fēng)區(qū)壓力系數(shù)波動(dòng)明顯。風(fēng)向角180°時(shí)，被測(cè)塔被完全遮擋，此時(shí)壓力系數(shù)極大值與極小值差值最小，并且塔筒表面壓力系數(shù)為各工況下的最小值；在塔筒迎風(fēng)面區(qū)域，干擾塔的尾流影響了被測(cè)塔的迎風(fēng)面正壓，第3層測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)出現(xiàn)兩個(gè)峰值。

(a) 0°典型測(cè)點(diǎn)層壓力系數(shù)

(b) 45°典型測(cè)點(diǎn)層壓力系數(shù)

(c) 90°典型測(cè)點(diǎn)層壓力系數(shù)

(d) 135°典型測(cè)點(diǎn)層壓力系數(shù)

(e) 180°典型測(cè)點(diǎn)層壓力系數(shù)

2.2 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖7給出了增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置的被測(cè)塔在典型風(fēng)向角下表面脈動(dòng)風(fēng)壓的分布云圖，對(duì)比分析得出： 風(fēng)向角0°下增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)被測(cè)塔的脈動(dòng)風(fēng)壓影響較小，僅有DF3的迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓變化顯著，此時(shí)塔筒中下部側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值超過0.3；風(fēng)向角90°時(shí)，由于被測(cè)塔與干擾塔局部區(qū)域形成“夾道效應(yīng)”，塔筒兩側(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓分布差異明顯，增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置增大了塔筒背風(fēng)面下部的脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值；風(fēng)向角180°時(shí)，被測(cè)塔被干擾塔遮擋，此時(shí)增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置的被測(cè)塔負(fù)壓極值區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)壓差異較小。

圖7 不同導(dǎo)風(fēng)裝置典型風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓分布圖Fig.7 Fluctuating wind pressurewith different air-deflectors and typical wind direction

2.3 峰值因子

文獻(xiàn)[14]通過對(duì)無導(dǎo)風(fēng)裝置冷卻塔表面脈動(dòng)風(fēng)壓研究得出峰值因子取值在3.0～5.0之間，本文為研究不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)冷卻塔脈動(dòng)風(fēng)壓峰值因子取值的影響，基于高斯過程假定，采用峰值因子法[15]計(jì)算出各導(dǎo)風(fēng)裝置表面測(cè)點(diǎn)的峰值因子，結(jié)果如圖8所示。

分析得出：導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)于不同高度測(cè)點(diǎn)的峰值因子影響差別明顯，其中第3層斷面受導(dǎo)風(fēng)裝置影響較大，峰值因子變化較為明顯，隨著高度的增長，第9層測(cè)點(diǎn)的峰值因子變化較小；隨著風(fēng)向角逐漸增大，塔間干擾效應(yīng)加強(qiáng)，峰值因子極值區(qū)域隨之逐漸偏移，其中90°風(fēng)向角工況為峰值因子取值最不利位置。

圖8 典型風(fēng)向角下第3斷面與第9斷面測(cè)點(diǎn)峰值因子分布圖Fig.8 Peak factor distribution of the 3rd section and 9th section with the typical wind direction

2.4 極值風(fēng)壓系數(shù)

為便于直觀分析雙塔干擾下增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)極值風(fēng)壓的影響，將增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后得到的風(fēng)壓極值減去未增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置時(shí)的風(fēng)壓極值，此時(shí)得到的差值即為雙塔干擾下增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)極值風(fēng)壓的影響。

圖9給出了典型風(fēng)向角下增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)冷卻塔塔筒表面第3層測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極值的影響示意圖。分析得出：風(fēng)向角0°時(shí)，增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒下部風(fēng)壓極大值影響較小，僅有DF3對(duì)塔筒背風(fēng)面影響較大，增幅達(dá)到了0.2；導(dǎo)風(fēng)裝置有效減少了塔筒第3層測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓極小值。風(fēng)向角45°時(shí)，增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后被測(cè)塔與干擾塔夾縫的背面風(fēng)壓極值明顯增大，局部測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極值減少達(dá)到了0.3。增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)風(fēng)向角90°時(shí)的塔筒側(cè)風(fēng)面影響較小，但是對(duì)背風(fēng)面風(fēng)壓極值改變較大。隨著風(fēng)向角的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)被測(cè)塔迎風(fēng)面風(fēng)壓極值影響逐漸較小，但對(duì)側(cè)風(fēng)面與背風(fēng)面的影響不能忽略，當(dāng)達(dá)到風(fēng)向角180°時(shí)，被測(cè)塔受干擾塔尾流影響較大，背風(fēng)面風(fēng)壓極值均出現(xiàn)了明顯的脈動(dòng)。

圖10給出了各典型風(fēng)向角下增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)冷卻塔塔筒第9層斷面測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極大值與極小值的影響示意圖，與圖9給出的第3層斷面測(cè)點(diǎn)結(jié)果類似，極值風(fēng)壓的分布規(guī)律均呈現(xiàn)出類似于冷卻塔模態(tài)中的正反對(duì)稱特點(diǎn)。導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒側(cè)風(fēng)面極值風(fēng)壓影響較大，其中DF1對(duì)喉部側(cè)風(fēng)面極值風(fēng)壓增幅達(dá)到了0.5，且對(duì)背風(fēng)面氣流干擾較大，導(dǎo)致其風(fēng)壓極值波動(dòng)明顯。

圖9 增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置典型風(fēng)向角下被測(cè)塔第3層測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極值變化示意圖Fig.9 The extreme wind pressure of 3rd floor measuring points with typical wind directions and different air-deflectors

圖10 增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置典型風(fēng)向角下被測(cè)塔第9層測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極值變化示意圖Fig.10 The extreme wind pressure of 9th floor measuring points with typical wind directions and different air-deflectors

2.5 干擾因子

定義雙塔層干擾因子為：增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后的冷卻塔層阻力系數(shù)與未增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置時(shí)的層阻力系數(shù)的比值，得出雙塔干擾下增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒各層阻力系數(shù)的干擾因子。計(jì)算公式為：

式中：CD,d為雙塔組合中增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后被測(cè)塔各層阻力系數(shù)；CD,n為雙塔組合中未增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置時(shí)各層阻力系數(shù)。

圖11給出了不同導(dǎo)風(fēng)裝置下塔筒各層干擾因子分布三維圖，分析得出增設(shè)DF1的被測(cè)塔層阻力系數(shù)干擾因子隨風(fēng)向角的變化波動(dòng)較小，僅有90°來流風(fēng)向角時(shí)其數(shù)值變化顯著，此時(shí)最大干擾因子達(dá)到5.0，發(fā)生在喉部附近；增設(shè)DF2和DF3后層阻力系數(shù)干擾因子均沿子午向與環(huán)向出現(xiàn)多個(gè)峰值，其中子午向發(fā)生在塔筒下部與喉部偏上高度，分別對(duì)應(yīng)模型的第2、3、7、9、12層，并且在135°風(fēng)向角時(shí)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)中部層阻力系數(shù)有減小作用，此時(shí)干擾因子為0.5。

(a) DF1

(b) DF2

(c) DF3

3 結(jié) 論

本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)研究了三種有導(dǎo)風(fēng)裝置和無導(dǎo)風(fēng)裝置的大型冷卻塔雙塔干擾表面風(fēng)壓分布特性，主要涉及平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓、峰值因子、極值風(fēng)壓和干擾因子。主要結(jié)論如下：

1) 增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置導(dǎo)致被測(cè)塔塔筒背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)氣流紊亂，以90°風(fēng)向角下弧形導(dǎo)風(fēng)板對(duì)塔筒側(cè)風(fēng)面負(fù)壓值增大最為明顯，同時(shí)弧形導(dǎo)風(fēng)板對(duì)迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓影響不可忽略，塔筒中下部側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值超過了0.3；

2) 增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)被測(cè)塔塔筒上部斷面測(cè)點(diǎn)峰值因子影響較小，但對(duì)下部斷面測(cè)點(diǎn)峰值因子影響不可忽略，峰值因子沿環(huán)向分布波動(dòng)顯著，其數(shù)值主要分布在3.2～3.6之間；

3) 增設(shè)不同導(dǎo)風(fēng)裝置后被測(cè)塔極值風(fēng)壓分布規(guī)律類似于冷卻塔模態(tài)的正反對(duì)稱特點(diǎn)，隨著來流風(fēng)向角的增大，不同導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)被測(cè)塔迎風(fēng)面風(fēng)壓極值影響逐漸較小，但對(duì)側(cè)面與背風(fēng)面極值風(fēng)壓的影響顯著，其中外部進(jìn)水槽對(duì)喉部側(cè)風(fēng)面極值風(fēng)壓增幅達(dá)到了0.5；

4) 增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置后被測(cè)塔層阻力系數(shù)干擾因子沿塔筒子午向和環(huán)向出現(xiàn)了多個(gè)峰值，90°風(fēng)向角時(shí)干擾因子明顯增大，帶外部進(jìn)水槽的冷卻塔中上部斷面層阻力系數(shù)干擾因子增大了近5倍，135°風(fēng)向角時(shí)增設(shè)導(dǎo)風(fēng)裝置對(duì)塔筒中部斷面層阻力系數(shù)有減小作用，此時(shí)干擾因子為0.5。