某火電廠150m高煙囪平均風壓的CFD數值模擬研究

鄭德乾 沙蔚博

摘 要：采用Realizable k-ε湍流模型對某火電廠150m高煙囪的平均風壓進行了CFD數值模擬，研究了不同風向角情況下煙囪表面平均風壓的分布規律，得到了煙囪表面分塊體型系數沿高度變化規律，通過流場顯示對周邊建筑對煙囪表面風壓分布的影響機理進行了分析，還將煙囪整體體型系數與荷載規范值進行了對比。本文結果可為該類高聳結構的抗風設計提供參考。

關鍵詞：CFD數值模擬；高聳結構；平均風壓；流場分析

引言：隨著科技的進步和人們生活水平的提高，社會用電量的需求逐步增大，雖然近年來發展的太陽能、風能和水利發電等綠色能源已逐漸推廣使用，但在相當長一段時間內，可能仍無法完全替代火力發電。煙囪是火電廠中應用廣泛的高聳結構，伴隨著火電廠發電規模的不斷提升，煙囪的高度也逐漸增高，由此帶來的抗風問題也日益顯著，現行《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012） [1]無法準確給出這類結構的風荷載。結構抗風研究多采用風洞試驗方法，但風洞試驗周期長、費用高；隨著計算機技術和湍流模型的發展，CFD（Computational fluid dy

namics）數值模擬方法已越來越多地應用到結構抗風研究中

[2～5]，該方法便于參數分析，且可進行流場可視化機理分析，具有較廣闊的應用前景。

某火電廠擬建工程規模為2×150MW燃煤機組，兩臺機共用一座150m高煙囪。由于煙囪周圍有鍋爐房和主廠房等結構物的影響，某些風向角下煙囪周圍的流場將受廠房建筑物干擾而發生變化，導致煙囪風荷載分布的改變。因此，本文采用CFD數值模擬方法和Realizable k-ε湍流模型，對該火電廠煙囪的平均風荷載進行數值模擬研究，以對其抗風設計提供參考。

一、數值模擬方法及參數

本文的結構抗風研究屬于鈍體繞流問題，CFD數值模擬的控制方程是粘性不可壓Navier-Stokes （簡稱N-S）方程，為得到結構的平均風壓，需要對N-S方程進行時均化處理，相應的流體控制方程為

本文壓力速度耦合的求解采用SIMPLEC算法，對于動量方程、湍動能和湍動能耗散率方程均采用二階迎風格式進行離散，近壁區流動的修正采用非平衡壁面函數實現。通過監測各方程計算殘差低于為5×10-4，同時各表面風壓系數基本不隨迭代步數發生變化，來得到流場的穩態解。

二、煙囪平均風壓CFD數值模擬

擬建火電廠煙囪及周邊鍋爐房和主廠房等結構物如圖1a所示，圖中煙囪高度為H=150m，圖1還給出了煙囪周邊主要建筑的高度。擬建場地地面粗糙度為B類，10m高度處50年重現期基本風速為36.88m/s。

數值模擬中計算域取為60H（流向）×30H（展向）×5H（豎向），研究對象放置于距入流面6H處。采用區域分塊技術進行網格劃分，研究對象周圍采用尺寸較小的非結構化網格，近壁面網格加密，其它區域采用結構化網格，網格總數約180萬，如圖1b所示。圖2a所示為本文數值模擬計算主要考慮的5個風向角。

三、數值模擬結果及分析

（一）點體型系數。為了便于同規范[1]進行比較，本文結果分析中，結構表面壓力場用無量綱的點體型系數風壓力系數μsi表示，定義為

式中，Pi是測點平均壓力，ρ是空氣密度，U（zi）為距地高度為zi的來流平均風速。

（二）分塊體型系數。為便于結構抗風設計使用，本節給出煙囪表面采用面積加權平均得到的分塊體型系數值μs，定義為

式中，Ai為測點i代表的結構表面積。

采用煙囪表面10個不同距離地面高度處的橫截面（圖2b所示）對煙囪表面進行分塊處理，根據式（6）可計算得到煙囪表面距地不同高度處各分區的分塊體型系數值，本文考慮風向角情況下煙囪表面分塊體型系數沿高度的變化規律如圖3所示。

由圖3可見，（1）所有風向角下，除了距地147m高度分塊外（該分塊處于煙囪頂部，風壓梯度變化較大），煙囪表面分塊體型系數均隨著距地高度的增加呈現逐漸增大的趨勢；（2）當距地高度相同時， 180°風向角下分塊體型系數值最大，90°風向角分塊風壓系數值最小；45°和90°風向角下近地面位置分塊體型系數出現負值。

對煙囪表面整體采用式（6）進行面積加權平均，可計算得到不同風向角情況下煙囪表面整體的體型系數值，如表1所示。由表1可見，90°風向角時煙囪體型系數最小，值為0.30；

180°風向角時體型系數值最大，值為0.58。對于本文所研究煙囪，規范[1]建議整體體型系數值取0.60，稍大于本文數值模擬值，另外結合圖4分塊體型系數結果（180°風向角）可知，當距地高度超過57m時，煙囪表面分塊體型系數結果在0.63～0.75范圍內，值均大于0.60。

四、結語

采用Realizable k-ε湍流模型，對某火電廠150m高煙囪的平均風荷載進行了CFD數值模擬研究，比較分析了不同風向角情況下煙囪表面的平均風壓分布規律，結合流場顯示技術分析了風壓分布機理，得到了煙囪表面分塊體型系數，并將整體體型系數與規范值進行了比較，本文結果可為該類高聳結構抗風設計提供參考。

參考文獻：

[1] 建筑結構荷載規范（GB 50009-2012），中國建筑工業出版社， 2012.

[2] Huang， S.， Li， Q.， Xu， S. Numerical evaluation of wind effects

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[5] 鄭德乾， 顧明， 周晅毅 等.世博軸膜面平均風壓的數值模擬研究. 建筑結構學報， 2009， 30（5）： 212-219.