冷卻塔外部風壓分布數值模擬研究*

孫曉勇，袁子厚，胡新榮

（1.中南電力設計院， 湖北 武漢430071；2.湖北省服裝信息化工程技術研究中心，湖北 武漢430073；3.山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心(重慶交通大學)，重慶 400074）

風荷載是雙曲線型冷卻塔的主要荷載之一，確切地給出風荷載對確保冷卻塔的安全性有著重大的意義。

中泰化學新疆托克遜100 萬t 電石新建工程冷卻塔塔高155m，該塔為現澆鋼筋混凝土雙曲線型薄殼結構，冷卻塔外壁上等間距布置60 個肋，塔筒由40 對鋼筋混凝土矩形“X”形支柱支撐，如圖1 所示。

CFD 方法是目前廣泛應用的確定高層建筑和大跨度平屋面等的平均和脈動風荷載的方法。其可以按照實際尺寸進行計算，可避免風洞試驗只能進行縮尺試驗的不足，克服試驗中難以滿足雷洛數相似的困難，且成本低，速度快。但是國內外采用CFD 方法計算冷卻塔風荷載的實例較少[1-3]。比較常見的是運用CFD 方法對單體和雙塔情況下冷卻塔的風荷載進行數值模擬計算，但沒有進行現場實測，沒有與對應的現場實測數據對比。本文對冷卻塔風荷載進行數值模擬計算并與現場實測數據對比，驗證數值模擬方法的有效性。

既有資料表明，英國渡橋電廠冷卻塔倒塌，主要是迎風面子午向鋼筋受拉屈服斷裂造成的，因此冷卻塔子午向風壓分布是在冷卻塔風荷載設計過程中必須充分考慮的問題。現場實測時冷卻塔風壓監測在78.5m 高截面布置30 個外測點，在100.5m 高截面布置12 個外測點，無法確定冷卻塔子午向風壓分布，本文采用數值模擬方法補充這一關鍵數據。

1 數值建模

數值分析不考慮冷卻塔在風載荷作用下的變形，計算采取的物理模型如圖1 所示。本文計算采用的矩形區域，流向迎風面邊界取在距離模型中心5H 位置（H 為冷卻塔的高度），其左右及上邊界也均距離模型中心5H。為了更好地模擬模型尾流的發展，其下游出口邊界距離模型中心10H，計算區域參如圖2 所示。冷卻塔的網格單元總數為220 萬。

圖1 冷卻塔示意圖

圖2 冷卻塔數值模擬網格分布圖

數值模型模擬分析的邊界條件：

（1）計算區域的迎風面上給定速度入口邊界條件，用指數律模擬大氣邊界層風剖面。

來流中湍流動能k 以及湍流耗散率ε 的剖面函數：

式中：Cu=0.09；l 為湍流積分尺度，這里取值為0.07倍的建筑特征尺度。

用UDF 函數自定義入口風函數。

（2）尾流出口采用outflow 邊界條件。

（3）計算域的頂部和兩側，采用對稱邊界條件，對稱邊界條件等價于自由滑移的壁面，滿足邊界上法向速度為0。

（4）建筑物表面和地面，采用無滑移的壁面條件。

本文計算中采用了Realizable 形式的k-ε 湍流模型，來流的湍流強度為Iu（z）=0.1（z/zG）-α-0.05。

假定采用B 類地貌條件進行分析，取u10=18m/s 作為參考風速。

壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，動量方程和湍動能及湍動能耗散率方程均采用一階離散格式。計算迭代收斂的標準為所有變量的殘差降到10-5以下并且流場區域中參數變化趨于定常。采用非平衡的壁面函數法來處理近壁面的湍流狀態。

2 計算結果與分析

現場實測數據以風速較大（最大風速達14.53m/s）、風速風向穩定的工況1 為例計算。

用現場實測（工況1）測出的78.5m、30 個測點壓力值可以求出30 個測點處的風壓系數，用數值模擬方法可以得出對應位置30 個點的風壓系數，兩者數據對比如圖3 所示（由于30 個點對稱，取一半對比），兩者數據有一致的規律性。

用現場實測（工況1）測出的100.5m、12 個外測點壓力值，可以求出12 個外測點處的風壓系數，用數值模擬方法可以得出對應位置12 個點的風壓系數，兩者數據對比如圖4 所示（由于30 個點對稱，取一半對比），兩者數據有一致的規律性。

圖3 78.5m 高測點數值計算、實測數據對比

圖4 100.5m 高測點數值計算、實測數據對比

從圖3、圖4 可知，冷卻塔CFD 模擬的結果與現場實測數據有一致的規律性，說明CFD 方法的準確性。鑒于CFD 方法的合理性，現從CFD 計算中提取冷卻塔原型風壓子午向數據如圖5 ～7 所示。

3 冷塔原型風壓子午向分布

4 數值對比

將數值模擬風壓系數與中國規范、德國規范、實測數據進行比較，如圖8 所示。從圖8 可知，數值模擬風壓系數與中國規范[4]、德國規范、實測數據規律一致。

圖5 冷卻塔迎風面子午線風壓分布

圖6 冷卻塔背風面子午線風壓分布

圖7 冷卻塔側面子午線風壓分布

圖8 數值模擬與規范、實測數據比較圖