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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

M.Shinozuka方法在风荷载模拟中的应用

通过分析现有的风荷载数值模拟方法,认为M.Shinozuka方法得到的脉动风荷载样本的统计特征值能较好的符合理论值。系统阐述了这种方法的分析过程,其中涉及到脉动风压规格化功率谱的推导以及脉动风荷载功率谱的计算。采用MATLAB可以方便有效的进行编程,其中的矩阵函数能够容易的实现Cholesky分解以及随机数的求取等。     

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。     

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。     

超高层建筑表面脉动风压空间相关特性试验研究

通过对某超高层建筑模型同步测压风洞试验,分别从时域和频域对模型各表面典型测点脉动风压水平和竖向空间相关性系数、以及水平和竖向相干函数进行了全面深入分析.与相关参考文献中提出的经典风速相干函数表达式进行了比较,给出了侧风面脉动风压相干函数考虑涡旋脱落影响的新的数学模型,拟合了公式参数,得到的结果可为建立更为精细的气动力模型所参考.