大型冷却塔的风荷载和风振特性相关问题研究

大型风筒式冷却塔是常用的水冷却设备，体量巨大，壁厚极薄，风荷载是设计的控制荷载。冷却塔内外表面均受到风荷载作用，风压分布非常复杂；塔筒为旋转壳体结构，振动模态密集，风振问题突出；现有的研究不多，设计规范内容不全，缺乏有效的风荷载理论用于指导设计。本课题以CFD数值模拟、风洞试验和时频域动力计算为手段，对大型冷却塔的表面风压、干扰效应、风致响应和静力等效风荷载进行系统的研究。为使较低雷诺数下进行的风洞试验结果能应用于较高雷诺数的原型，采用提高模型表面粗糙度的方法，合理的粗糙度通过风洞试验结合CFD数值模拟来获取。对双塔和塔群干扰进行系统分析，提供量化结果。采用时频域方法进行冷却塔的风振动力计算，得到用于设计的等效风荷载。发展冷却塔的风振理论，为相关规范条文的修订提供依据。 2100433B

超大型冷却塔属于典型的风敏感结构，我国冷却塔设计规范的风荷载条款仅给出适用于165m高度以下的单塔单一工况风振系数和环向对称风压系数，缺少相应的等效静力风荷载模型和气动抗风措施条款。本项目结合风洞试验、理论推导和数值模拟方法进行了以下三个方面的研究工作：（1）设计制作了可同步测压测振的超大型冷却塔完备气弹模型，进行了典型场地和群塔组合下刚体测压和气弹测振风洞试验，基于试验结果分析了超大型冷却塔表面风荷载随机特性（非高斯、非平稳和时频域特性）和自激力效应。并结合CFD大涡模拟方法，揭示了超大型冷却塔表面风场流动机理和绕流及尾迹特性，建立了基于保证率和相关性的超大型冷却塔极值风压模型，并给出了划分冷却塔表面高斯与非高斯区域的判别标准。（2）基于模态加速度和荷载-响应相关方法提出了能完全考虑背景、共振及两者之间耦合项的超大型冷却塔风振精细化频域计算方法“一致耦合法”，揭示了复杂环境下超大型冷却塔风振自激和耦合作用机理，探讨了特征尺寸、阻尼比和周边干扰对超大型冷却塔风振机理的影响规律，建立了超大型冷却塔结构自身构型和各种可能破坏模式之间的内在联系，进而提出了考虑多种失效模式和屈曲失稳形态的单一和多目标等效静力风荷载数学模型。（3）在此基础上，提出了超大型冷却塔三种典型气动抗风措施（矩形导风板、弧形导风板和外部进水槽），并进行了相应的物理和数值风洞试验模拟，对比研究了不同气动措施对超大型冷却塔表面平均和脉动风荷载、风致响应、局部和整体稳定性及极限承载性能的影响。本项目的试验方法、理论方法和研究成果可为国内外此类超大型冷却塔抗风设计和气动措施选取提供科学参考依据，相关研究成果已成功应用到国内宁夏马莲台电厂超大型冷却塔（170m）、京能盛乐热电厂超大型冷却塔（180m）、内蒙古土右旗电厂超大型冷却塔（210m）、山西介休电厂超大型直筒-锥段型钢结构冷却塔（180m）和陕西彬长电厂特大型冷却塔（210m）等国内重大工程抗风设计，显著改进和完善了我国超大型冷却塔结构抗风设计的可靠性及合理性。研究成果发表期刊及学术论文27篇，其中SCI收录10篇，EI收录15篇，参加国际学术会议1次，国内学术会议3次，申请软件著作权1项。 2100433B

我国冷却塔建设日趋高大化（塔高突破世界纪录200m）和复杂化（群塔组合多变，周边构筑物干扰显著），指导结构抗风设计的相关规范缺少与之匹配的等效静力风荷载模型，仅给出165m高度以下单塔、单一风振系数经验值。事实上，超大型冷却塔风振具有多荷载形态、多振型参与和多耦合效应特征，且在复杂环境中其共振和耦合效应愈加突出，相应的等效静力风荷载计算理论及数学模型亟需建立。为此，拟研制可同步测压及测振的冷却塔完备气弹模型，实现从低风速线性振动到高风速失稳破坏试验的全过程，获取并分析考虑自激效应的表面动态风荷载随机特性；建立超大型冷却塔风振耦合作用精细化分析方法，并结合风洞试验揭示复杂环境中超大型冷却塔风振耦合、自激机理；提出具有原创性的考虑多种失效模式和屈曲失稳形态的等效静力风荷载数学模型。最终形成超大型冷却塔抗风设计理论与实用方法，初步探索强风作用下超大型冷却塔动力灾变全过程试验模拟方法和理论模型。

本项目将综合时域小波理论和频域本征正交分解方法，基于现场实测和风洞实验数据，针对聚光结构，进行脉动风、风荷载和风致响应的空间相关性规律研究，提出实用的空间相关性分析算法，并建立相应的数学模型。具体研究工作包括近地风场特性及空间相关性分析、长跨度结构沿跨度方向的脉动风压和风致响应的相关性分析以及它们和脉动风相关性的对应关系、受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性分析。本项目虽然是基于聚光结构开展研究工作，但是所建立的数学模型和理论方法能为包括聚光结构在内的长跨度结构、低矮结构和受群体干扰影响的结构之间的风荷载空间相关性规律提供技术和理论支撑。