基于大涡模拟特大型冷却塔风振系数取值研究

为研究200 m级特大型冷却塔风振系数取值问题,以国内在建的某特大型冷却塔(200 m)为例,采用大涡模拟(LES)方法获得该冷却塔表面三维气动力时程,并与国内外大型冷却塔实测结果对比,验证了数值模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法和风振时程分析理论对该冷却塔的动力特性、风振响应与风振系数进行了系统分析,提炼出此类特大型冷却塔二维风振系数的分布规律,最终给出了以正迎风面子午向轴力为目标的整体风振系数取值.所得出的主要研究结论可为此类200 m级超规范特大型冷却塔的风荷载设计取值提供参考.     

运行状态下超大型冷却塔内表面风荷载的数值模拟研究

对运行状态下的某超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟.在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,采用DPM模型结合UDF函数方法加入源项来研究某超大型冷却塔内表面平均风压分布;塔中水相采用了拉格朗日方法模拟,而空气相采用欧拉方法模拟,较好地实现了冷却塔运行状态下的内外流场计算及其与传热传质的耦合计算,分析了运行状态下冷却塔横风向来流时的内压分布规律.无侧风工况下计算结果显示,塔运行过程中的内表面压力对称性良好,出水温度与实测结果相符,验证了本文提出的塔运行过程中的传热传质计算方法的正确性.侧风工况下得到塔内压力系数沿高度方向相应变大,而沿纬向变化不明显.同时讨论了中国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,给出了建议取值,为超大型冷却塔设计过程中的内压计算提供方法和依据.     

基于大涡模拟超大型冷却塔施工期 风荷载时域特性分析

现有冷却塔风荷载研究成果均忽略了施工期的影响,以国内在建世界最高220 m超大型冷却塔为对象,基于大涡模拟(LES)方法获得了施工期冷却塔周围流场信息和三维气动力时程,并将成塔平均风压分布结果与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性.在此基础上,对比分析了冷却塔施工期平均风压分布规律和流场特性,并基于不同工况下冷却塔周围速度和涡量变化提炼出施工期流场特性与作用机理,揭示了施工期冷却塔脉动风压、极值风压、升/阻力系数及测点间相关性的分布规律,最终基于非线性最小二乘法原理给出了随高度变化的极值风压拟合公式.研究结果表明,端部效应的影响使冷却塔负压极值随施工高度增加由-3.91升至-1.75后降至-2.28,升力系数随施工高度增加逐渐减小,而阻力系数呈先减小后增大的趋势,脉动风荷载的相关性随高度变化先增强后变弱.主要结论可供此类大型冷却塔施工期设计风荷载取值参考.     

随机干扰作用下冷却塔结构动态响应的数值分析

双曲型冷却塔为钢筋混凝土薄壳结构,其特点是体积庞大且自重轻,在结构设计中,必须系统分析冷却塔在风荷载和地震荷载作用下的结构复杂响应,以评价其易损性和安全性.针对某高度180 m的大型双曲冷却塔,首先建立塔筒—支柱—环基—刚性地基耦合模型,采用混凝土损伤塑性模型,计算冷却塔前50阶模态参数;其次基于结构随机振动理论和方法,采用线性滤波器的AR法拟合脉动风压时程曲线,用ABAQUS软件分析冷却塔的脉动风致响应;选取San Fernando波作为输入荷载分析冷却塔地震响应;最后考虑脉动风和地震波共同作用,分析冷却塔的复杂耦合动力响应.结果表明,基于随机干扰模型的冷却塔结构复杂响应的数值模拟能有效评价其风振响应和地震响应.     

风-雨共同作用特大型冷却塔表面风荷载与作用机理

强风暴雨极端气候条件下,暴雨会直接影响塔筒表面气动力并改变脉动风的湍流特性,而传统研究大多仅关注风单向驱动雨对于结构表面的冲击力.为解决该问题,针对中国已建成的高为210.0 m的超大型冷却塔,首先基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)手段采用连续相和离散相模型分别展开风、雨场的模拟计算.在此基础上,揭示风雨场雨滴运行速度和轨迹的作用机理,并针对9种不同风速和降雨强度组合的塔筒内、外表面风雨荷载,雨压以及等效压力系数等展开定性和定量的对比分析.提出的超大型冷却塔风雨等效内、外压系数可以很好地预测此类极端条件下的表面荷载取值.     

超大直筒-锥段型钢结构冷却塔内压效应

基于计算流体力学方法(CFD)对某在建亚洲最高(189 m)超大直筒-锥段型钢结构冷却塔进行数值风洞模拟,提出直筒和锥段典型断面处表面绕流和尾迹特性,同时分析直筒和锥段内表面平均风荷载分布特性,并给出相应的体型系数拟合公式。基于有限元方法对超大直筒-锥段型钢结构冷却塔分别进行3种工况(内压作用、外压作用、内外压共同作用)下的静风响应分析,研究内压效应对超大型直筒-锥段钢结构冷却塔的主筒、加强桁架和附属桁架三部分结构风致响应的影响规律。研究结果表明:锥段内表面体型系数在迎风面与直筒段数值相近,其他部位偏离较大;内压效应对结构负向位移、主筒负压极值区的横杆轴力、附属桁架横杆轴力及上部加强桁架支撑轴力影响相对较大。     

基于层内力等效的偏心高层建筑三维等效静力风荷载

对于质心和刚心不重合的偏心高层建筑，由于结构三维振型耦合与气动力耦合等因素的影响，其等效静力风荷载的评估变得十分复杂. 基于振型加速度法，推导了考虑三维气动力耦合和振型交叉项贡献的偏心高层建筑各层拟静力项和惯性力项内力（剪力和弯矩）响应计算方法. 在此基础上，基于各层内力响应等效，建立了能合理反映荷载沿高分布信息的结构三维等效静力风荷载评估方法. 随后，结合3种典型矩形截面高层建筑刚性模型测压风洞试验，分析了荷载相关性、结构偏心率和截面长宽比对偏心结构三维等效静力风荷载的影响. 研究表明：对于偏心截面高层建筑，振型交叉项和荷载相关性对结构风致响应与等效静力风荷载的贡献不可忽视，若忽略两者则会低估偏心高层建筑三维等效静力风荷载，特别是扭转向等效静力风荷载. 此外，偏心率和截面长宽比同样影响偏心高层建筑等效静力风荷载的大小和分布情况. 相关研究可为偏心高层建筑的抗风设计提供一定的指导.     

超大型冷却塔阻尼比现场实测及风振效应影响

以国内7座大型冷却塔现场实测阻尼比识别数据为基础,选取其中高位收水冷却塔为对象,基于实测阻尼比取值范围设置4种阻尼比(分别为0.5%、1%、2%和3%)计算工况进行风振响应完全瞬态分析,并将计算结果与规范阻尼比(5%)下的风振响应进行对比.在此基础上,提炼出了阻尼比取值对高位收水冷却塔风振平均和脉动响应特性的影响,并基于5种风振响应及3种等效目标计算了不同阻尼比下的风振系数,探讨并归纳了不同阻尼比、响应目标和位置对结构风振系数取值的影响规律,最终采用非线性最小二乘法提出了以阻尼比和子午向高度为目标函数的风振系数拟合公式.主要结论可为此类高位收水冷却塔风振动力分析阻尼比取值提供科学依据.     

考虑山顶地形三维效应某电视塔测力风洞试验

以位于南京秀山顶部某电视塔为例,为精确考虑三维地形效应对电视塔风荷载设计取值的影响,首先对电视塔周边800 m内的山顶地形进行风洞试验,获取电视塔结构参考高度处的风速修正系数;然后利用高频动态天平测力(HFFB)技术进行不同风向角下电视塔刚体模型测力试验。基于试验结果,提炼出不同风向角下电视塔结构基底等效内力和顶部峰值加速度响应的分布规律,并分析典型最不利风向角下电视塔结构层等效静力风荷载(ESWLs)分布特性。研究结果表明:山顶地形三维效应对于此类电视塔结构风力分布的影响显著。本文试验和相关结论可为此类山顶地形电视塔结构抗风设计提供参考。     

轻型门式刚架结构的等效静力风荷载

针对现行规范对轻型门式刚架结构风荷载的取值没有考虑脉动风荷载空间相关性的情况,分别采用荷载响应相关法和国外风荷载规范求得门式刚架结构风荷载的分布和大小,基于与现行规范计算结果的对比分析,提出轻型门式刚架结构等效静力风荷载分布的估计方法.基于刚性模型同步测压风洞试验测得的门式体形模型表面风荷载时程数据,建立了轻型门式刚结构架有限元整体模型.通过按建议方法求出的风致响应与实际动力响应极值的对比,验证了建议的风荷载分布的合理性,计算结果表明采用该方法得到的风致响应更接近实际动力响应极值,且表达形式简洁,方便工程设计使用.     

不同气动措施对特大型冷却塔风致响应及稳定性能影响分析

为研究不同气动措施对特大型冷却塔结构风致强度及稳定性能的影响,以内陆某核电特大型冷却塔为例,对无气动措施和增设3种气动措施冷却塔进行刚体测压风洞试验.基于试验结果对比分析了不同气动措施下冷却塔表面平均和脉动风压特性,然后采用有限元方法进行不同气动措施下特大型冷却塔的动力特性、风致响应、局部和整体稳定性能研究,最终提炼出不同气动措施对特大型冷却塔结构抗风性能的影响规律.     

钢桥塔与塔吊联合体系抖振响应试验研究

研究了自立状态钢桥塔与塔吊组成的联合体系的抖振性能及塔吊对钢桥塔抖振响应的影响.通过钢桥塔与塔吊共同作用的联合气弹模型风洞试验与自立状态桥塔气弹模型风洞试验,识别出了两种体系的模态参数并获得了不同风速及不同风偏角下两种体系的抖振响应,对风速与风偏角的影响规律进行了总结与比较,对比研究了联合体系中塔吊与桥塔在顺桥向、横桥向的振动响应差异.结果表明,钢桥塔与塔吊的风致抖振位移响应均值可以近似表示为风速的二次函数,位移响应均方差则表现出一定的波动性,塔吊会显著减小钢桥塔抖振位移响应的均值与均方差,钢桥塔与塔吊风致抖振响应存在明显的风偏角效应,塔吊的局部振动效应使得顺桥向塔吊位移相对桥塔位移存在明显的放大效应,而横桥向存在一定的缩小效应.     

粘滞流体阻尼器对电视塔的风振响应控制

以合肥电视塔为工程背景,探讨了粘滞流体阻尼器对高耸电视塔在强风作用下风振响应的振动控制.按照随机振动理论,仿真得到了作用在电视塔上的19维互相关的人造脉动风压时程样本曲线,并利用时程样本进行了电视塔的风振响应分析;建立了一种双模型的动力分析方法.对安置了粘滞流体阻尼器的合肥电视塔进行了控制分析;以上塔楼的风振响应为优化目标,对阻尼器的参数进行了优化设计.研究表明,电视塔的风振响应峰值超过了规范的容许值,设置了粘滞流体阻尼器后电视塔的风振响应均有明显的减小,阻尼器消耗了大量的结构能量,采用最优阻尼参数使上塔楼加速度峰值响应下降了43.4%.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.     

基于Ritz-POD法的格构式塔架结构风致振动分析

根据自立式塔架结构脉动风荷载的空间分布形式,实现了本征特征分解(proper orthogonal decomposition,POD)和基于荷载-里兹模态分析相结合的Ritz-POD算法求解Ritz振型,并结合谐波激励法(harmonic excitation method,HEM)和荷载-响应相关法(load response correlation method,LRC)实现了塔架结构风振响应和等效静力风荷载(equivalent static wind load,ESWL)的高效分析。计算结果表明:采用40阶基于荷载-里兹振型和100阶传统自由振动振型计算的节点风振响应和等效静力风荷载结果及变化规律一致且二者吻合度高,说明较少阶Ritz振型的计算精度是能够保障的。并且较少阶Ritz振型减少了谐波激励法与荷载-响应相关法的运算工作量,提高了风致振动分析的效率。另外,本文利用大型通用有限元软件SAP2000基于MATLAB系统的应用程序接口(API)开发环境,实现了塔架结构风致动力响应和等效静力风荷载的高效分析平台,可为其他大型复杂工程的风致振动分析提供参考。     

强风作用下大型双曲冷却塔风致振动参数分析

基于作者已提出的大型冷却塔风振计算方法(一致耦合法),结合风洞测压试验获得的表面气动力模式,分析了结构本身因素和外界干扰对强风作用下冷却塔结构风致振动的影响,对不同动力特性及阻尼比的冷却塔模型进行了风振响应背景、共振、耦合项及风振系数的精细化数值计算,对比并初步探索了周边干扰下大型冷却塔的风振机理.发现了特征尺寸、阻尼比和周边干扰对冷却塔风振响应的影响规律,为进一步理解冷却塔结构风致振动现象,避免不利共振的产生及采取相应的控制措施提供了有益的结果.     

高耸钢塔结构的脉动风荷载模拟及结构风振响应分析

采用谐波叠加法模拟作用于钢塔各层上的脉动风荷载时程样本,把钢塔结构简化为二维串联多自由度动力学模型,采用ANSYS的瞬态动力学分析模块,计算了钢塔结构的风振动力响应,为进一步对高耸塔式结构进行振动控制提供了必要的技术参数.     

典型塔式起重机塔架结构风致动力响应与疲劳分析

将谐波叠加法与自回归法相结合,构建了新型风时程混合模拟方法,数值模拟三维风速时程,并转为风荷载时程;针对典型塔式起重机塔式结构,建立参数化力学模型.基于Newmark-β方法进行结构风致动力响应分析.基于结构关键点的应力-时间历程并引入S-N曲线法,分析塔架结构的疲劳损伤效应.研究发现,塔架结构节点的风致位移响应、速度响应和加速度响应均较稳定且风致位移响应具有周期性特征,塔臂两端部和塔顶的风致位移和疲劳损伤较大.研究成果可为此类塔架结构的抗风设计提供技术支撑.     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.