考虑几何及材料非线性直筒-锥段型钢结构冷却塔风致稳定性能研究

作为一种新颖的风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔曲面形状和动力特性复杂、结构柔性和风致效应明显增大,整体稳定性能是其结构设计的瓶颈之一,尤其是结构几何、材料非线性及其高阶振型的影响。本文采用CFD技术数值模拟获得钢结构冷却塔表面风荷载分布模式,基于ANSYS软件建立主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)耦合的一体化钢结构冷却塔有限元模型,以不同特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式,并基于几何及材料双重非线性有限元方法,系统研究了此类钢结构冷却塔在不同风速下低阶和高阶模态的稳定性能,涉及分歧失稳形态、极值失稳形态、临界失稳风速和静风响应。研究表明:考虑几何及材料双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降;基阶屈曲波形相对较小,对几何初始缺陷不敏感;随着风速的增大,附属桁架最先发生失稳屈曲,然后依次为加强桁架和主筒。几何初始缺陷系数及阶数的改变对失稳临界风速影响较小,但随着阶数的增加,非线性分析过程中的变形趋势由附属桁架逐渐转移到主筒。所得主要结论可为此类新型钢结构冷却塔的抗风稳定性验算提供参考。     

风雨耦合下大型冷却塔流场特性与表面气动力

现行冷却塔结构抗风设计均忽略了降雨带来的影响,但在强风暴雨极端气候条件下,暴雨亦会直接影响塔筒内、外表面气动力并改变脉动风的湍流效应,而传统研究大多仅关注风驱动雨对于结构表面的冲击效应。为解决该问题,以国内已建世界最高220 m大型冷却塔为例,以风-雨双向耦合算法为核心,首先采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术对冷却塔周围风场进行数值模拟,并将表面风压分布与规范及实测曲线进行对比验证了风场模拟的有效性;再添加离散相模型(Discrete phase model,DPM)并进行雨滴和风场的同步迭代计算。在此基础上,系统研究了塔筒内外表面风驱雨量、雨滴附加作用力和雨致压力系数等影响规律,揭示了风雨场中塔筒表面速度流线、湍动能强度、雨滴运行速度和轨迹的作用机理。最终提出了基于风雨双向耦合算法的风-雨致等效压力系数新模型及其分布特性。研究结论可为此类冷却塔在极端气候下的表面荷载取值提供参考。     

超大型冷却塔施工全过程风荷载频域特性分析

以国内在建世界最高220 m超大型冷却塔为对象,基于大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法获得施工全过程冷却塔周围流场和风荷载时程,并将成塔风压分布结果与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性。在此基础上,对比分析了施工全过程塔筒平均与脉动风压根方差分布特性,系统对比研究了施工全过程风荷载频域特性,主要包括:典型测点风压功率谱特性、升/阻力系数功率谱、典型测点间环向相干性和升/阻力系数竖向相干性,并基于最小二乘法拟合给出随高度变化的典型测点功率谱计算公式。研究表明,施工期与成塔的脉动风荷载能量均集中在低频区,其中塔筒中部脉动风荷载在低频区能量较其他位置弱,随着施工高度的增加:脉动风荷载和层阻力系数功率谱密度函数均呈先减小后增大的趋势,升力系数功率谱在塔筒中下部谱值较大而上部较小,测点脉动风荷载环向相干性以及升/阻力系数竖向相干性均逐渐减弱。主要结论可供此类大型冷却塔施工期设计风荷载取值参考。     

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——风压极值探讨

针对风压信号呈现的非高斯特性和传统极限估计方法的局限,首次提出基于保证率和相关性的极值估计方法--全概率迭代法进行冷却塔表面脉动风荷载极值分析,并和传统的峰值因子法及改进的Sadek-Simiu法计算结果进行对比验证.结果表明:全概率迭代法避开了对随机过程的高斯分布假定,相比传统的极值估计方法其结果更加真实可靠;表达风压极值中脉动分量的峰值因子数值沿着环向和子午向变化显著,如取为同一数值则偏于危险或过于保守;采用全概率迭代法得到的表面风压系数极值分布曲线与规范取值相比,迎风面和负压峰值区域极值偏小,背风区域极值偏大,且最小值对应角度相差约10°.     

新建冷却塔与既有冷却塔间风致干扰响应（英文）

干扰效应是大型冷却塔风毁的重要因素之一,现有冷却塔群风致干扰研究均针对同一尺寸,缺乏不同尺寸冷却塔之间风致干扰效应研究。以中国山东鲁西电厂增建冷却塔工程为背景,针对既有四塔组合(小尺寸)、新建二塔组合(大尺寸)和六塔组合3种组合,采用刚体测压风洞试验获得194个工况下的表面风压分布;再基于计算流体动力学方法对六塔组合最不利干扰工况冷却塔群的周边流场进行数值模拟。在此基础上,重点研究了六塔组合下冷却塔表面平均和脉动风压分布特性,对比研究了3种塔群组合下大尺寸冷却塔与小尺寸冷却塔的荷载干扰系数;同步分析了最不利风向角下冷却塔群周边速度流场和涡量变化,着重提炼出不同尺寸冷却塔群之间的风致干扰机理。研究表明,此类不同尺寸冷却塔群之间的干扰效应要远远大于同一尺寸的冷却塔群,具体表现为小尺寸冷却塔的增强效应和大尺寸冷却塔的遮挡效应;大尺寸冷却塔群干扰系数相比增加28%,小尺寸冷却塔群干扰系数相比降低6.4%;小尺寸冷却塔群之间的夹道效应引起的气流加速对于大尺寸冷却塔存在不利影响,能够显著增加大尺寸冷却塔的局部风荷载;而大尺寸冷却塔的遮挡效应能降低小尺寸冷却塔的整体风荷载。研究结论可为此类大型冷却塔增建工程抗风设计提供风荷载取值依据。     

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——非高斯特性研究

为了系统研究大型双曲冷却塔表面脉动风压分布特性,进行单个冷却塔刚体模型风洞动态同步测压试验,对冷却塔表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统的研究.根据测点风压时程及其概率密度分布曲线,对具有非高斯分布特性的局部区域作出判断,从风压信号的时空间相关性入手,结合中心极限定理讨论了局部区域呈现非高斯特性的原因;并基于测点风压信号概率密度曲线的斜度及峰态值对典型断面的测点风压进行非高斯特性描述,给出了划分非高斯区域的标准,并由测点环向相关性对冷却塔壳体表面进行了分区,初步探讨了不同区域的脉动风压形成机理,加深了对冷却塔结构表面风压分布特性的认识,为进一步探讨冷却塔结构表面风压极值奠定了理论基础.     

复杂山体下双塔布置超大型冷却塔风致干扰效应研究

以中国西北地区已建成的210m世界最高冷却塔为例，采用风洞试验和CFD数值模拟两种方法，获得了考虑复杂山体（海拔接近冷却塔喉部高度，且距离塔体很近）双塔布置冷却塔表面流场信息和压力分布模式。在此基础上，对比分析考虑复杂山体和建筑干扰时冷却塔表面最大负压、基于极值负风压的干扰系数和平均风压分布特性，并针对最不利工况进行复杂山体和塔群之间的风致干扰机理研究。研究表明:采用风洞试验和数值模拟两种方法得到的冷却塔基于极值负风压的干扰系数分布规律一致，两者最大值相差8%；复杂山体对冷却塔群来流湍流和表面风压分布模式的影响显著，同时受到冷却塔和干扰建筑物之间"夹道效应"的影响，最不利工况下冷却塔基于极值负风压的干扰系数可达1.586，远大于没有复杂山体时的工程常见干扰系数。     

大型煤气柜风荷载的风洞试验及数值模拟

对某大型煤气柜进行了风洞测压试验及风压数值模拟.分析了试验模型表面风压分布及其脉动特性,并同数值计算结果、规范条文中类似断面结构的风压分布作对比.结果表明:风洞试验中由于结构表面分布的工字钢及表面粗糙度的处理,雷诺数效应对表面风压分布影响并不明显,但对表面绕流场分离区的风压值有一定影响.结构的均方根升力、阻力系数在频域表现为宽带谱;采用基于雷诺平均的RNG k-ε湍流模型能较准确地模拟表面平均风压分布,其计算结果同样可为结构抗风设计提供参考;在不同量级雷诺数下数值模拟得到的平均风压分布能反映出雷诺数效应的影响.     

不同透风率超大型冷却塔台风致内吸力取值

风荷载是超大型冷却塔设计的控制荷载,塔筒内部风荷载取值仅考虑了良态风工况。为研究台风作用下超大型冷却塔内吸力分布特性,采用多重嵌套的中尺度天气研究预报（Weather research and forecast,WRF）模式对台风“鲇鱼”进行高时空分辨率模拟,并借助最小二乘法优化技术拟合得到近地面三维风速剖面。以山西潞安电厂220 m世界最高冷却塔为对象,结合中-小尺度耦合模式嵌套技术对超大型冷却塔进行台风和A类地貌下大气边界层良态气候风的近地面三维风场CFD模拟。在此基础上,探讨了塔内绕流特性、能量分布、阻力系数以及风阻的差异和产生原因,对比分析了冷却塔内表面风压系数三维分布特征,最后给出台风作用下超大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明,采用WRF-CFD耦合模式可以有效模拟台风下超大型冷却塔近地三维风场,考虑0%、15%、30%及100%百叶窗透风率下台风致内吸力系数取值分别为-0.61、-0.36、-0.34和-0.42。     

风-雨耦合环境超高层三塔连体建筑雨压分布研究

以中国东南沿海某超高层三塔连体建筑为研究对象，以风-雨双向耦合算法为核心，基于计算流体动力学技术采用连续相和离散相模型进行风场和雨场的迭代模拟。首先基于9种风雨组合工况进行三塔连体建筑非定常脉动风场模拟，探讨超高层三塔连体建筑平均风压分布、表面速度流线和流场干扰机理。然后对比研究不同风雨组合工况下主塔表面雨滴附着数量、雨滴冲击力和雨压系数的分布规律，揭示风-雨耦合场中结构表面速度流线、雨滴运行轨迹和最终速度的作用机理。最后提炼出超高层三塔连体建筑最不利风-雨组合工况，并给出对应的雨压系数取值建议。研究表明：风-雨耦合环境下超高层连体建筑迎风面雨荷载作用最为显著，此时雨荷载与风荷载最大比值可达23.81%，局部测点最大雨压系数达到0.301，100 a重现期风速和强大暴雨组合为风-雨耦合作用的最不利组合工况。     

上海电视塔风载试验研究

通过风洞试验研究了上海电视塔的风载分布情况，给出了塔体压力分布、体型系数、局部压力增大系数等风载设计数据，并考查了周围地貌及风向的影响。     

水泥工厂窑尾塔架风荷载风洞试验研究

为获得窑尾塔架在实际风场下的真实风荷载,本文通过风洞实验对水泥厂窑尾塔架在大气边界层流场中的风荷载进行了研究,并详细介绍了风洞试验中的风场模拟、模型设计、测量方法和数据处理方法。试验结果合理可靠。本研究为实际窑尾塔架的结构设计提供了更真实的风载系数并为水泥厂窑尾塔架的优化设计,减少工程造价提供了详实的依据。     

冷却塔群塔刚体测压试验研究

在考虑冷却塔群塔和周围复杂建筑物场地条件下,通过冷却塔表面刚体测压试验,研究了双曲线型圆截面冷却塔表面雷诺数效应模拟、冷却塔表面气动压力分布特征;基于等效阻力系数表达式,研究了几种典型多塔组合工程场地条件下,群塔相对于单塔的等效风荷载比例系数,并进一步分析了冷却塔在最不利吹风工况中,位移、主拉、压应力分布关系.     

基于无人机的复杂地貌上空风场实测研究

本文研究了利用多旋翼无人机搭载风速风向测量设备对不同地貌上空平面风场实测分析的方法。以北京市延庆区某试验基地内的测风塔为参考,首先对无人机测风准确性进行研究,其次取相同时间段内测风塔与不同测点位置无人机的实测风速风向数据进行正交分解处理,分析得到无人机和测风塔风速、湍流度的相互比值关系,通过测风塔数据和比值关系,可以推知空中不同测点的风速和风向数据,进而获得复杂地貌影响下的上空风场状况。实测结果表明:修正后无人机平均风速、平均风向与测风塔相比误差较小,无人机测量得到湍流度较测风塔更大,通过滑动平均法可以一定程度上减小无人机测得的湍流度;空中平面风场状况受地貌影响较大,复杂地貌上空风场波动更大。通过现场实测,初步验证了应用多旋翼无人机搭载风速仪在不同地貌上空实现空中平面风场测量的可行性,可为局部区域风场测量、风电场微观选址等提供新思路和新方法。     

中央电视塔塔楼风作用风洞模拟实验

应用风洞实验方法,研究了中央电视塔塔楼表面风荷载与塔楼进排风口的风环境,后者考虑了进排风的模拟并且做了为改善进排风口的风环境对局部结构进行变动的实验研究。实验结果提供了塔楼表面的平均和脉动风压系数分布以及进排风的风环境特性,并对局部结构的改进提出了建议。     

基于多源数据融合的翼型表面压强精细化重构方法

在风洞试验模型表面布置测压孔是获得表面压力分布的重要手段，但受限于空间位置和试验成本，通常难以在复杂模型表面布置足量的测压孔获得完整的表面压力分布信息，直接积分获得的升力和力矩精度不足，因此提出了一种融合稀疏的风洞试验数据和数值计算（CFD）数据的方法，通过较少的风洞测压试验数据获得高精度的压力分布。首先通过本征正交分解技术提取数值计算数据的压力分布低维特征（POD基函数），然后利用稀疏的试验测压数据，通过压缩感知算法获得基函数的坐标，最后将坐标转化到物理空间重构出压力分布。利用定常固定翼型变状态以及变几何变来流状态算例验证该方法的精度，重构结果均能精确匹配试验结果。该重构方法可在一定程度上解决空间受限稀疏观测条件下的分布载荷精细化重构难题。     

低温风洞绝热结构设计与性能分析

绝热结构设计是建造大型低温风洞的关键环节之一。结合数值计算与试验,开展了绝热结构设计和性能分析研究。基于风洞运行条件,对绝热结构进行了设计和选材;建立了绝热结构有限元模型,基于风洞运行的最恶劣工况对绝热结构性能进行了数值计算分析,分析其绝热特性和应力分布规律。设计构建了可模拟低温风洞服役环境的试验舱平台,开展了低温交变压力冲击下的应力/应变和温度测量试验。研究结果表明:设计的绝热结构满足低温风洞运行要求,设计的试验舱平台适用于绝热结构性能考核,也为研究其他材料在低温环境下的热力学性能提供了一套可靠的试验平台。