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。     

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.     

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。     

台风环境下冷却塔风致振动的案例研究（英文）

冷却塔是风敏感结构,其高度的增加使得抗风问题更加突出,尤其是在台风地区。本文采用主动风洞技术模拟了场地为B类粗糙度的良态风和台风风场,进行了某超大型冷却塔的刚性测压和气动弹性测振试验,系统地研究了良态风和台风场下塔筒壳体抗风性能。对塔筒喉部位置迎风点、峰值吸力点、分离点和背风点处所对应壳体的风压系数、峰值因子、功率谱密度和动力放大系数进行综合研究。研究发现:台风场下塔筒环向风压和风致响应存在更加明显的非高斯特征;同时共振响应占比更高,结构的动力放大因子最大值达到良态风作用下的1.18倍。本文的研究结果可作为台风地区超大型冷却塔抗风设计的参考。     

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。     

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。     

两个邻近全尺寸双曲型冷却塔风压分布的测量

在对两座高120米双曲线型自然通风冷却塔群的风压分布的全尺寸测量,特别是风压测量系统及其参考压力的测量方法介绍之后,分析了冷却塔运行方式及来流方向对塔面风压分布的影响;并将全尺寸测量与风洞实验及单塔实测结果进行了比较。测量和分析结果表明:冷却塔运行与否对共外壁面压力分布无明显影响;两实测塔的中心连线距离与单塔直径的比值为1.44,来流风向角β=50°±2°时,由于塔群的影响,其塔面风压分布与单塔有明显差异,两塔内侧的负压峰值(绝对值)均大于外侧的相应值,而外侧的负压峰值(绝对值)与单塔结果接近。对此,在冷却塔塔群布置设计时应予以充分注意。     

一种新型直筒-锥段型钢结构冷却塔气动性能的LES数值分析

作为一种外形新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔表面风荷载随机分布特性亟待研究。以国内拟建最高的某新型直筒-锥段型钢结构冷却塔(塔高189 m)为例,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对其进行风场数值模拟,获取了直筒和锥段两部分结构的外表面三维气动力时程。将平均和脉动风压系数分别与相关规范及国内外冷却塔实测及风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。进而提炼出此类直筒-锥段型钢结构冷却塔外表面平均、脉动和极值风荷载以及阻力系数等气动参数分布规律。最终给出了此类新型的直筒-锥段型钢结构冷却塔结构平均和极值风压估算公式及其分布曲线。     

大型冷却塔结构风致气动和气弹效应综合研究

大型冷却塔作为空间薄壁高耸结构,结构风效应突出,在设计中风荷载属重要的控制因素。本文系统地介绍了同济大学结构风工程研究团队在冷却塔结构抗风方向取得的研究进展,涉及风荷载特征与统计、结构风效应试验与分析、整体结构多目标优化、灾害气候条件荷载与效应分析和全过程集成软件平台开发等5个方面,在冷却塔结构抗风问题中的风荷载、结构响应和试验模型设计等方面得出相应结论。     

光伏阵列风荷载干扰效应风洞试验研究

风荷载是光伏板设计的主要荷载,对于大面积光伏阵列,其风致干扰效应明显,风荷载取值需要进一步研究明确.本文采用刚性模型测压风洞试验研究了光伏板体型系数干扰效应.通过改变倾角、风向角和光伏板的组数,研究了阵列中干扰效应对光伏板风荷载取值的影响.结果表明:当光伏板面迎风或者背风时,出现最大正压或负压;上游光伏板对下游光伏板存...     

高耸化工塔风致振动的被动套环控制（英文）

化工塔结构水平方向刚度较小,受风荷载作用时,易产生涡激振动现象,进而产生较大横向振幅和内力。长期风致振动会影响化工塔的正常使用和耐久性能,严重危害其服役期内的安全。本文提出利用套环抑制化工塔风致振动的被动控制方法,预设吹气通道来引导绕流场的流动,从而破坏绕流场尾迹区的非定常旋涡脱落,达到流动控制的目的。本文通过加速度传感器测量化工塔模型在安装套环前后的加速度信号,再利用编程软件将其转换为位移信号数据,研究分别改变沿塔身套环布置的间距以及套环布置的位置的控制效果。试验结果表明,被动吸气套环控制方法能有效减小化工塔在风荷载下的振动幅度,从而能减小潜在风致振动。     

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°.     

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。     

基于灰色-神经网络联合模型的大型冷却塔风效应预测

基于灰色GM(1,1)模型和BP人工神经网络,建立灰色-神经网络联合的大型冷却塔平均位移和风振系数预测模型。该联合模型增强了预测结果的自适应性和准确性,能解决因气弹模型试验中测点样本数目太少而无法直接建立神经网络预测模型的局限。通过某大型冷却塔气弹模型风洞试验结果的算例分析,表明该组合模型对于平均位移和风振系数的预测结果均与试验结果吻合良好,随后基于已训练的模型给出结构风振反应精细化分析所需的输入参数预测结果。这为冷却塔结构风效应的精细化研究提供了一个新的有效方法。     

周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究

以天津国际金融会议酒店为例,采用多通道同步测压风洞试验技术,研究了周围高层建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应.试验结果表明:位于大跨屋盖两侧的高层建筑将引起明显的“穿堂风”效应,作用于大跨屋盖的风荷载将显著增加,但大跨屋盖上游高层建筑的“遮挡”作用,有利于减小两侧高层建筑引起的“穿堂风”效应,而下游高层建筑会加剧屋盖局部区域的“穿堂风”效应.周围高层建筑物的出现,增加了来流中的湍流成分,使得作用于大跨屋盖的脉动风荷载增大.     

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.     

风向对相邻建筑风压分布的影响研究

通过风洞实验研究了风向对两个和三个邻近建筑风压分布的影响特性.实验结果给出了在不同风向角下,作用于受扰建筑上的平均和脉动风压系数.当受扰建筑处于下游位置时,建筑之间的干扰效应主要表现为遮挡影响,建筑物上的总体风压系数不是很大,但在建筑物表面上有时会产生局部较大的负压系数.另外,在某些风向角下由于受到上游分离气流的影响,在下游建筑的局部表面又会出现较大正压.这些结果可供建筑布置和结构设计时参考.     

复杂截面高层建筑角对角布置的气动干扰机理研究

基于两栋角对角布置、横截面复杂的实际超高层建筑的刚性模型测压风洞试验数据,分析了综合体型系数以及风压系数分布特性,详细讨论了建筑间的气动干扰机理.研究结果表明,两栋塔楼在气流方向上串列布置时,其间可能产生恒定的旋涡,使得上游建筑背风面和下游建筑迎风面的平均风压都表现为较高的负压,上游建筑的平均风荷载会大大超过单体建筑的情况;两栋塔楼在气流方向上大致并列布置时,建筑两侧可能产生周期性的旋涡脱落,导致横风向响应的均方根值较大.此外,建筑的等效静力风荷载以平均风荷载为主,且建筑的自由振动频率远远大于气动力的卓越频率,脉动风荷载以背景分量为主而共振分量较小,这使得结构刚度的增加无法显著降低建筑的等效静力风荷载.     

临界雷诺数区准椭圆形覆冰导线风压特性研究

采用刚性模型进行测压试验,得到了不同雷诺数下准椭圆形覆冰导线的风压分布规律,通过对比平均风荷载、脉动风荷载及风荷载谱等参数,分析了雷诺数对风荷载以及横风向驰振稳定性的影响。当雷诺数达到临界区,与亚临界区的对应值相比,平均阻力系数下降、平均升力系数随风向角变化幅度大且在某些对称工况产生横风向平均升力系数;平均风压系数分布对风向角等参数更为敏感。旋涡脱落由亚临界区的规则脱落变为不规则脱落,周向风压相关性减弱,特征频率消失。临界区内平均升力系数急剧的下降段使得结构更易发生横风向驰振。