超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究李鹏飞.docx
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超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究李鹏飞
超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究_李鹏飞
超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究_李鹏飞
第25卷第6期Vol.25No.6
2008年6月工程力学
ENGINEERINGMECHANICS60June2008
文章编号：
1000-4750（2008）06-0060-08
超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究
李鹏飞1,2，*赵林，葛耀君，黄志龙113
（1.同济大学土木工程防灾国家重点试验室，上海200092；2.同济大学建筑设计研究院，上海200092；3.浙江大学力学系，杭州310027）摘要：
对某超大型冷却塔进行同步测压风洞试验获得内、外表面的脉动风压分布。
在外压测试中，改变外表面
粗糙度和调整风速等措施，较好地实现了冷却塔大缩尺比模型对表面绕流高雷诺数效应的模拟；采用热线风速仪
对冷却塔尾流进行测试，验证了由冷却塔整体气动力时程频谱函数确定涡脱频率方法的合理性；分析了环向断面
阻力系数沿塔高的分布规律，在考虑相关性的基础上建议了冷却塔环向外表面的风压极值分布拟合曲线。
在内压
测试中，比较多种填料层透风率对于内压影响的基础上，采用相关性分析方法确定了内压极值分布规律。
关键词：
冷却塔；风洞试验；雷诺数效应；表面压力；相关性分析
中图分类号：
TU317.1;TU271.1文献标识码：
A
WINDTUNNELINVESTIGATIONONWINDLOADCHARACTERISTICS
FORSUPERLARGECOOLINGTOWERS
LIPeng-fei1,2,*ZHAOLin1,GEYao-jun1,HUANGZhi-long3
（1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.ArchitecturalDesign&ResearchInstituteofTongjiUniversity,Shanghai200092,China;
3.DepartmentofMechanics,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China）
Abstract:
Thesimultaneouspressure-measuredtestsoftherigidmodelforasuperlargecoolingtowerwereconductedinTJ-3windtunnelofTongjiUniversity.Intheprocessofexternalwindpressuremeasurement,byadjustingsurfaceroughnessandwindvelocity,theactualaerodynamiccharacteristicsofarchetypecoolingtowersweresuccessfullyillustratedinthescale-reducedmodelwithlowerReynoldsnumber.Bymeasuringtailflowvelocityhistoryofthecoolingtowermodelusingahot-wireanemometer,theprimaryvortex-sheddingfrequencyisprovedtobereasonable.Thedistributionruleaboutsectionaldragforcecoefficientsalongthetowerheightisanalyzedbasedonprobabilitycorrelationtechnique,andthefittingcurvesofwindpressureextremevaluedistributionsalongthecircumferentialdirectionareproposed.Throughmeasurementofinternalpressuredistributionforthecoolingtowermodelundervariousventilationratiosofstuffinglayerslocatedatthebottomofthetower,theinternalwindpressureextremevaluedistributionsforcommonly-usedventilationratioaresuggestedbyconsideringthecorrelationofaerodynamicpressures.
Keywords:
coolingtower;windtunneltest;Reynoldnumbereffect;surfacepressure;probabilitycorrelation
―大型冷却塔作为一种空间薄壁高耸结构，风荷视[14]。
本文试验中的某电厂超大型冷却塔淋水面
载作用下的安全性历来受到工程界的高度重积13000m2，塔高177.146m，塔顶外半径41.130m，———————————————
收稿日期：
2006-11-16；修改日期：
2007-08-13
基金项目：
国家自然科学基金（50538050）；国家自然科学基金青年基金（50408035）
作者简介：
李鹏飞（1982—），男，陕西榆林人，硕士，从事结构和桥梁抗风研究（E-mail:
lidufly@）；
*赵林（1974—），男，黑龙江牡丹江人，讲师，博士，从事结构抗风、风场数值模拟研究（E-mail:
zhaolin@）；
葛耀君（1958—），男，上海人，教授，博士，博导，从事桥梁抗风可靠性研究（E-mail:
yaojunge@）；
黄志龙（1965—），男，浙江上虞人，教授，博士，博导，从事随机振动与结构分析研究（E-mail:
huangzhilong@）.
工程力学61
喉部标高141.133m，喉部中面半径39.108m，进风口中面半径67.347m，通风筒壳体采用分段等厚，最小厚度0.271m，最大厚度1.400m。
冷却塔由48对φ1.300m人字柱与基础连接。
该塔塔高已突破了现行《火力发电厂水工设计技术规定》（NDGJ5-88）[5]“冷却塔高度≤150m”的限制，也超过了《工业循环水冷却设计规范》（GB/T50102-2003）[6]塔高165m的限制，是目前国内最高、最大的冷却塔，在结构设计、施工与运营维护方面存在一定的技术难度。
对于双曲线圆截面冷却塔大缩尺比模型（1∶200－1∶500）风洞试验，外表面绕流形态受雷诺数效应影响非常突出，通常采用改变表面粗糙度等方法模拟高雷诺数效应[7]，模拟标准为原型冷却塔现场实测和风洞试验修正组合的外表面环向平均风压分布[8
―9]
本试验中的工程场地为A类地貌，风剖面指数
α=0.12，地表紊流度15%，冷却塔顶部紊流度为
10%。
（a）冷却塔测外压模型
。
在实际工程应用中，除外表面风
压均值分布之外，内表面压力分布以及外表面风压极值分布缺少相关的研究贮备，风荷载规范也没有做出明确的规定，事实上在冷却塔结构设计中更关心内表面、外表面极值风荷载的分布。
本文在冷却塔表面多点脉动风荷载相关性分析的基础上，以风洞试验为手段对冷却塔内外压的极值分布做了较为深入的研究，与规范采用结构表面平均风压乘风振系数的处理方法进行了对比，建议了较为合理的冷却塔外表面极值风压分布拟合曲线和内压取值。
（b）冷却塔测内压模型
图1冷却塔侧内压、侧外压模型
Fig.1Modelforintemalandexternalpressure
1试验概况
1.1试验设备及模型
本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-3大气边界层风洞中进行。
该风洞为闭口回流式矩形截面风洞，试验段尺寸宽15m、高2m、长14m。
按1∶200缩尺比制作冷却塔测外压模型和测内压模型（如图1），冷却塔及周边其它建筑模型阻塞度小于7%。
大气边界层模拟风场的调试和测定是用丹麦DANTEC公司的Streamline热线风速仪，冷却塔内外表面平均压力与脉动压力测量采用美国Scaniv-alue扫描公司的DSM3000电子压力扫描阀。
信号采样频率为312.5Hz，每个测点采样样本总长度为6000个数据。
冷却塔测外压模型沿其环向与子午向布置36×12个外表面压力测点。
测内压模型沿其环向与子午向布置36×6个内表面压力测点。
内外压测点布置见图2。
图2测压模型测点布置/m
Fig.2Arrangementforpressurepoints
62工程力学
1.2符号定义
冷却塔表面测点i处的压力系数CPi表示为：
荐的西安热工所风压分布八项式拟合曲线，模拟过程着重于最大压力系数、最小压力系数、尾流压力系数、零压力系数角度、最小压力系数角度和分离角度。
由图3比较可知表面刻线+粗糙纸带在8m/s试验风速下冷却塔中间6个断面平均表面压力分布与规范值吻合较好，中段截面阻力系数CD=0.436（西热CD=0.437）。
Pi?
P
（1）
P0?
P∞
其中：
Pi为作用在测点i处的压力；P0和P∞分别是
CPi=
试验时参考高度处的总压和静压。
由冷却塔外表面测点得到的整体阻力（顺风向）系数和升力（横风向）系数积分式定义为：
CD=
∑CPiAicos（θi）
i1
n
AT
式中：
CD、CL分别为结构整体阻力和升力系数；Ai为第i测点压力覆盖面积；θi为第i测点压力与风轴方向夹角；AT为整体结构向风轴方向投影面
积。
测点之间、测点与整体气动力时程之间相关系数定义为：
CL=
∑CPiAisin（θi）
i1
n
压力系数
AT
（2）
o
（3）
方位角/（）方位角/（°）
图3试验结果与规范表面压力分布比较
Fig.3Pressurecomparisonbetweentestandcodes
2.2尾流测试
斯脱罗哈数是结构几何形状和雷诺数的函数。
当雷诺数Re>3.5×106时，类圆柱结构尾流涡脱中紊流成份较为突出，但仍会出现有规律的旋涡脱落，这时St数稍大于0.2[10]。
St数与结构的动力响应密切相关，也是本试验需要模拟的雷诺数效应之一。
由于尾流脉动成份的紊乱性，涡脱频率直接实测较为困难。
风速尾流有规律的旋涡脱落，使结构物表面的压力周期性变化，引起横向风荷载表现为周期性作用，这个周期应该与尾流的旋涡脱落周期一致，升力（横风向力）时程频谱与尾流时程频谱的卓越频率应该相近，所以本文尝试通过对整体升力时程的频谱函数间接确定涡脱卓越频率。
为了验证这种方法的有效性，采用热线风速仪对冷却塔尾流进行了多点实测。
把热线风速仪置于冷却塔背风侧，改变风速仪探头的高度以及与冷却塔的距离，在8m/s试
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