CN106227947A

CN106227947A - 一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法

Info

Publication number: CN106227947A
Application number: CN201610594044.0A
Authority: CN
Inventors: 柯世堂; 杜凌云; 王浩; 余玮; 朱鹏; 余文林; 徐璐
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: CN106227947B

Abstract

本发明提供了一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法。所述冷却塔内表面等效风荷载取值方法适用于直筒‑锥段型钢结构的冷却塔，并包括如下步骤：a、按照实际尺寸建立冷却塔的三维实体模型；b、基于所述三维实体模型创建流体计算域，并进行计算域和结构的网格划分；c、设定数值风洞的边界条件及湍流模型；d、进行数值风洞模拟，并提取所述三维实体模型的内表面体型系数的结果数据；e、进行所述内表面体型系数的三角函数计算公式拟合；f、参考规范中双曲线冷却塔计算公式，提出直筒‑锥段型冷却塔内表面的等效风荷载标准值计算公式。

Description

一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法

技术领域

本发明属于冷却塔技术领域，具体地涉及一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法。

背景技术

大型冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间薄壳结构，是工业领域尤其是火电厂和核电站的重要冷却工艺设施，其结构主体均是由塔筒、支柱和环基构成，并以旋转轴对称的高大塔筒最为瞩目。风荷载是此类大型冷却塔结构设计的控制荷载，其结构抗风性能研究是风工程领域最为传统的研究内容。

作为一种新颖的冷却塔结构形式，钢结构冷却塔施工快、可回收且不受冬季温度限制，在国际上已有十余例成功应用于电厂间接空冷建设，而在国内钢结构冷却塔尚处于起步阶段，仅有新疆电厂的高160米的双曲线型钢结构冷却塔在建。

与传统的钢筋混凝土冷却塔相比，钢结构冷却塔整个结构体系阻尼更小、频率更低、且振型及传力路径复杂，对风荷载更加敏感，其风致动力放大效应和受力性能问题也更为突出。

对于超大钢结构冷却塔尤其是对于新颖的直筒-锥段塔型来说，其内表面体型系数与等效风荷载的取值问题在火电、水冷规范(DL/T5339－2006、GB/T50102－2014)中均未涉及，且对于钢结构冷却塔的抗风研究也相对匮乏，而内表面风荷载对冷却塔的抗风性能至关重要，这也给工程设计人员带来了极大的困扰。

因此，有必要提供一种可以为超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计及规范修订提供参考的冷却塔内表面等效风荷载取值方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以为超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计及规范修订提供参考的冷却塔内表面等效风荷载取值方法。

本发明的技术方案如下：一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法，适用于直筒-锥段型钢结构的冷却塔，并包括如下步骤：

a、按照实际尺寸建立冷却塔的三维实体模型；

b、基于所述三维实体模型创建流体计算域，并进行计算域和结构的网格划分；

c、设定数值风洞的边界条件及湍流模型；

d、进行数值风洞模拟，并提取所述三维实体模型的内表面体型系数的结果数据；

e、进行所述内表面体型系数的三角函数计算公式拟合；

f、参考规范中双曲线冷却塔计算公式，提出直筒-锥段型冷却塔内表面的等效风荷载标准值计算公式。

优选地，在步骤a中，基于犀牛建模软件，按照直筒-锥段型钢结构冷却塔结构的实际尺寸建立三维实体模型，并根据结构下部百叶窗实际工作情况设置结构透风率。

优选地，在步骤b中，将所述三维实体模型导入ICEM中并创建长方体计算域，并设定所述数值风洞的尺寸为长×宽×高＝24D×15D×4H，其中，长为顺风向，宽为横风向，高为高度方向，D为塔筒底部直径，H为塔高。

优选地，在步骤b中，将整个计算域划分为外围区域和局部加密区域，故可兼顾计算效率和精度，而且外围计算域形状规整，采用高质量的结构化网格进行划分，局部加密区域内含冷却塔模型，采用非结构化网格进行划分，网格质量大于0.1，避免出现负体积。

优选地，在步骤c中，分别设定流体计算域边界条件与湍流模型，其中入口和出口边界条件分别采用速度入口和压力出口，顶面及侧面边界条件采用自由滑移壁面，地面与冷却塔结构表面采用无滑移壁面边界条件，求解器类型选为3D单精度、分离式求解器，空气采用不可压缩流体模型，湍流模型为SST模型，并选择SIMPLEC算法作为数值风洞的流场求解方法。

优选地，在步骤d中，根据步骤c中设置的参数进行数值风洞模拟，然后基于模拟结果提取不同高度冷却塔结构内表面体型系数结果数据。

优选地，所述步骤e中，基于典型高度冷却塔结构内表面体型系数结果数据进行三角函数拟合，给出上部直筒段与下部锥段两部分的内表面体型系数拟合曲线和计算公式。

优选地，在步骤e中，所述三角函数拟合的公式如下：

\begin{matrix} μ_{i n n e r} (θ) = a_{1} \times s i n (b_{1} \times θ + c_{1}) + a_{2} \times s i n (b_{2} \times θ + c_{2}) + a_{3} \times s i n (b_{3} \times θ + c_{3}) + a_{4} \times s i n (b_{4} \times θ + c_{4}) \\ + a_{5} \times \sin (b_{5} \times θ + c_{5}) + a_{6} \times \sin (b_{6} \times θ + c_{6}) + a_{7} \times \sin (b_{7} \times θ + c_{7}) \end{matrix},

其中，μ_inner(θ)为内表面体型系数；θ为环向角度，单位为rad；a_i，b_i，c_i是冷却塔锥段内表面体型系数参数。

优选地，在步骤f中，参考《火力发电厂水工设计规范》中双曲线冷却塔表面等效静风荷载计算公式，提出适用于直筒-锥段钢结构冷却塔内表面等效风荷载的计算公式，如下式所示：

ω_inner(Z,θ)＝βμ_inner(θ)μ_zω₀

ω_{0} = \frac{1}{1600} {v_{0}}^{2}

μ_{z} = {(\frac{z}{10})}^{2 α}

其中ω_inner(Z,θ)为作用在塔内表面上的等效风荷载标准值，单位为kN/m²；β为风振系数，考虑到内表面风荷载的脉动性能极弱，对结构的动力放大效应极小，故风振系数取为1.0；μ_inner(θ)为内表面体型系数；θ为环向角度，单位为rad；μ_z为风压高度变化系数；ω₀为基本风压，单位为kPa；ν₀为当地较为空旷平坦地貌离地面10m高度、重现期为50年的10min平均最大风速，单位为m/s；z为距离地面高度；α为地面粗糙度系数。

本发明的有益效果在于：所述冷却塔内表面等效风荷载取值方法首次给出超大直筒-锥段型钢结构冷却塔内表面体型系数三角函数拟合七项公式，并提出适用于直筒-锥段塔型的结构内表面等效风荷载标准值计算公式，因此解决了冷却塔结构设计中直筒-锥段塔型的内压取值问题，弥补了规范中缺少的此类冷却塔内部体型系数取值的不足，为此类超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计提供参考。

附图说明

图1是本发明实施例提供的冷却塔内表面等效风荷载取值方法的流程框图；

图2是图1所示的冷却塔内表面等效风荷载取值方法的流程示意图；

图3是塔筒不同高度的典型断面内表面体型系数的分布图；

图4为塔筒沿子午向内表面体型系数的分布图；

图5为塔筒沿环向内表面体型系数的分布图；

图6为直筒段内表面体型系数与拟合对比曲线图；

图7为锥段内表面体型系数与拟合对比曲线图；

图8为50m和150m高度内表面等效风荷载沿环向分布曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请同时参阅图1和图2，图1是本发明实施例提供的冷却塔内表面等效风荷载取值方法的流程框图；图2是图1所示的冷却塔内表面等效风荷载取值方法的流程示意图。本发明实施例提供的冷却塔内表面等效风荷载取值方法100适用于直筒-锥段型钢结构的冷却塔，主要是针对现今大型钢结构冷却塔抗风性能研究相对匮乏的问题，为此类直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计及规范修订提供参考。

所述冷却塔内表面等效风荷载取值方法100具体包括如下步骤：

S1、按照直筒-锥段型钢结构冷却塔结构实际尺寸建立三维实体模型。

具体地，在步骤S1中，按照超大直筒-锥段型钢结构冷却塔结构实际尺寸，采用犀牛建模软件进行冷却塔结构三维实体模型的建立，同时以相应的透风率考虑结构下部百叶窗的工作开启状态，即根据结构下部百叶窗实际工作情况设置结构透风率。例如，所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的整体塔高189m，进风口高度32.5m，进风口直径123.24m，锥段顶部标高67m。进风口高度以上结构外覆挡风钢板，表面光滑平整，并以30％的透风率考虑结构下部百叶窗的工作开启状态。

S2、基于所述三维实体模型创建流体计算域，并进行计算域和结构的网格划分。

具体地，在步骤S2中，将所述三维实体模型导入ICEM中并创建长方体计算域，并设定所述数值风洞的尺寸为长×宽×高＝24D×15D×4H，其中，长为顺风向，宽为横风向，高为高度方向，D为塔筒底部直径，H为塔高；而且，根据阻塞率满足<5％的计算要求，冷却塔模型置于流体域内部，冷却塔模型中心距离计算域入口为7D，为使尾流得到充分发展，出口位置距离模型为17D。优选地，在本实施例，所述阻塞率是1.21％。

进一步地，对计算域进行整体与局部网格划分，具体为将整个计算域划分为外围区域和局部加密区域，故可兼顾计算效率和精度。而且外围计算域形状规整，采用高质量的结构化网格进行划分，局部加密区域内含冷却塔模型，采用非结构化网格进行划分，网格质量大于0.1，避免出现负体积。

S3、设定数值风洞的边界条件及湍流模型。

具体地，在步骤S3中，分别设定数值风洞的流体计算域边界条件与湍流模型，入口和出口边界条件分别采用速度入口和压力出口，顶面及侧面边界条件采用自由滑移壁面，地面与冷却塔结构表面采用无滑移壁面边界条件，求解器类型选为3D单精度、分离式求解器，空气采用不可压缩流体模型，湍流模型为SST模型，并选择SIMPLEC算法作为数值风洞的流场求解方法。而且，所述数值风洞模拟计算参数详细设置如表1所示：

表1数值模拟计算参数

参数名称	参数设定
		求解器类型	3D单精度、分离式求解器
空气模型	不可压缩流体
		湍流模型	SST模型
对流项离散格式	二阶迎风格式
		流场求解方法	SIMPLEC算法
入口边界条件	速度入口
		出口边界条件	压力出口
顶部和侧面边界条件	自由滑移壁面
		地面和结构表面边界条件	无滑移壁面

S4、进行数值风洞模拟，并提取所述冷却塔的内表面体型系数的结果数据。

具体地，在步骤S4中，根据步骤S3中设置的参数进行数值风洞模拟，然后基于模拟结果提取不同高度冷却塔结构内表面体型系数结果数据。例如，如图3所示，提取41m、54m、67m、87m、117m、148m以及178m等不同高度处内表面体型系数数据；并沿子午向和环向对内部体型系数进行平均，同时给出对应的变化曲线如图4和图5所示。

S5、进行所述内表面体型系数的三角函数计算公式拟合。

具体地，在步骤S5中，以环向角度为目标，拟合出上部直筒段和下部锥段内表面体型系数沿环向分布计算公式，并给出拟合曲线与模拟曲线进行对比，即基于典型高度冷却塔结构内表面体型系数结果数据进行三角函数拟合，给出上部直筒段与下部锥段两部分的内表面体型系数拟合曲线和计算公式。

而且，所述三角函数拟合的公式如下：

\begin{matrix} μ_{i n n e r} (θ) = a_{1} \times s i n (b_{1} \times θ + c_{1}) + a_{2} \times s i n (b_{2} \times θ + c_{2}) + a_{3} \times s i n (b_{3} \times θ + c_{3}) + a_{4} \times s i n (b_{4} \times θ + c_{4}) \\ + a_{5} \times \sin (b_{5} \times θ + c_{5}) + a_{6} \times \sin (b_{6} \times θ + c_{6}) + a_{7} \times \sin (b_{7} \times θ + c_{7}) \end{matrix},

其中，μ_inner(θ)为内表面体型系数；θ为环向角度，单位为rad；a_i，b_i，c_i是冷却塔锥段或直筒段的内表面体型系数参数。在本实施例中，所述冷却塔锥段的内表面体型系数参数如表2所示，所述冷却塔直筒段的内表面体型系数参数如表3所示，而且，如图6和图7所示，是拟合曲线与模拟曲线进行对比示意图。

表2冷却塔锥段内表面体型系数参数取值表

表3冷却塔直筒段内表面体型系数参数取值表

S6、参考规范中双曲线冷却塔计算公式，提出直筒-锥段型冷却塔内表面的等效风荷载标准值计算公式。

具体地，在步骤S6中，以上部直筒段和下部锥段内表面体型系数拟合计算公式为基础，参考《火力发电厂水工设计规范》(DL/T5339－2006)中双曲线冷却塔表面等效静风荷载计算公式，提出一种适用于超大直筒-锥段型内表面等效风荷载的取值方法，计算公式如下式所示：

ω_inner(Z,θ)＝βμ_inner(θ)μ_zω₀

ω_{0} = \frac{1}{1600} {v_{0}}^{2}

μ_{z} = {(\frac{z}{10})}^{2 α}

其中ω_inner(Z,θ)为作用在塔内表面上的等效风荷载标准值，单位为kN/m²；β为风振系数，考虑到内表面风荷载的脉动性能极弱，对结构的动力放大效应极小，故风振系数取为1.0；μ_inner(θ)为内表面体型系数；θ为环向角度，单位为rad；μ_z为风压高度变化系数；ω₀为基本风压，单位为kPa；ν₀为当地较为空旷平坦地貌离地面10m高度、重现期为50年的10min平均最大风速，单位为m/s；z为距离地面高度；α为地面粗糙度系数，其中A类地貌取0.12，B类地貌取0.15，C类地貌取0.22，D类地貌取0.30。例如，如果钢结构冷却塔所处地貌类型为B类，以50m高度和150m高度为例计算直筒段与锥段内表面等效风荷载如图8所示。

相较于现有技术，本发明提供的冷却塔内表面等效风荷载取值方法100首次给出超大直筒-锥段型钢结构冷却塔内表面体型系数三角函数拟合七项公式，并提出适用于直筒-锥段塔型的结构内表面等效风荷载标准值计算公式，因此解决了冷却塔结构设计中直筒-锥段塔型的内压取值问题，弥补了规范中缺少的此类冷却塔内部体型系数取值的不足，为此类超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计提供参考。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种冷却塔内表面等效风荷载取值方法，适用于直筒-锥段型钢结构的冷却塔，其特征在于：包括如下步骤：

a、按照实际尺寸建立冷却塔的三维实体模型；

c、设定数值风洞的边界条件及湍流模型；

e、进行所述内表面体型系数的三角函数计算公式拟合；

2.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤a中，基于犀牛建模软件，按照冷却塔的实际尺寸建立三维实体模型，并以相应的透风率考虑结构下部百叶窗的工作开启状态。

3.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤b中，将所述三维实体模型导入ICEM中并创建长方体计算域，并设定所述数值风洞的尺寸为长×宽×高＝24D×15D×4H，其中，长为顺风向，宽为横风向，高为高度方向，D为塔筒底部直径，H为塔高。

4.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤b中，将整个计算域划分为外围区域和局部加密区域，故可兼顾计算效率和精度，而且外围计算域形状规整，采用高质量的结构化网格进行划分，局部加密区域内含冷却塔模型，采用非结构化网格进行划分，网格质量大于0.1，避免出现负体积。

5.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤c中，分别设定流体计算域边界条件与湍流模型，其中入口和出口边界条件分别采用速度入口和压力出口，顶面及侧面边界条件采用自由滑移壁面，地面与冷却塔结构表面采用无滑移壁面边界条件，求解器类型选为3D单精度、分离式求解器，空气采用不可压缩流体模型，湍流模型为SST模型，并选择SIMPLEC算法作为数值风洞的流场求解方法。

6.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤d中，根据步骤c中设置的参数进行数值风洞模拟，然后基于模拟结果提取不同高度冷却塔结构内表面体型系数结果数据。

7.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：所述步骤e中，基于冷却塔结构内表面典型高度的体型系数结果数据进行三角函数拟合，给出上部直筒段与下部锥段两部分的内表面体型系数拟合曲线和计算公式。

8.根据权利要求7所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤e中，所述三角函数拟合的公式如下：

\begin{matrix} μ_{i n n e r} (θ) = a_{1} \times \sin (b_{1} \times θ + c_{1}) + a_{2} \times \sin (b_{2} \times θ + c_{2}) + a_{3} \times \sin (b_{3} \times θ + c_{3}) + a_{4} \times \sin (b_{4} \times θ + c_{4}) \\ + a_{5} \times \sin (b_{5} \times θ + c_{5}) + a_{6} \times \sin (b_{6} \times θ + c_{6}) + a_{7} \times \sin (b_{7} \times θ + c_{7}) \end{matrix},

其中，μ_inner(θ)为内表面体型系数；θ为环向角度，单位为rad；a_i、b_i和c_i是冷却塔锥段内表面体型系数参数。

9.根据权利要求1所述的冷却塔内表面等效风荷载取值方法，其特征在于：在步骤f中，参考《火力发电厂水工设计规范》中双曲线冷却塔表面等效静风荷载计算公式，提出适用于直筒-锥段钢结构冷却塔内表面等效风荷载的计算公式，如下式所示：

ω_inner(Z,θ)＝βμ_inner(θ)μ_zω₀

ω_{0} = \frac{1}{1600} {ν_{0}}^{2}

μ_{z} = {(\frac{z}{10})}^{2 α}