余文林， 柯世堂， 杜凌云

(南京航空航天大學(xué) 土木工程系，南京 210016)

隨著我國火/核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，一系列特大型冷卻塔陸續(xù)興建，其高度突破了現(xiàn)行《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5339—2006)[1]塔高165 m和《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50102—2014)[2]塔高190 m的限值，布置形式由單塔向雙塔、群塔組合形式發(fā)展，并且所處地形亦需考慮周邊建筑和復(fù)雜山地的干擾。但規(guī)范缺少此類冷卻塔表面平均風(fēng)壓分布和設(shè)計(jì)風(fēng)荷載等取值參數(shù)條款，也并未針對群塔布置中塔體間的相互干擾和建筑環(huán)境及高大山體對塔體的干擾效應(yīng)做出相關(guān)規(guī)定。同時，由于周邊環(huán)境的復(fù)雜性和非重復(fù)性，國內(nèi)外鮮有學(xué)者對此類冷卻塔群的風(fēng)荷載特性進(jìn)行深入研究，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員不能充分預(yù)估周邊干擾效應(yīng)的影響。

針對冷卻塔群風(fēng)致干擾效應(yīng)的研究，德國VGB規(guī)范[3]針對塔體-塔體及塔體-建筑物干擾工況給出了相關(guān)干擾因子的定義和取值建議；文獻(xiàn)[4]通過氣彈模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了雙塔、三塔、高細(xì)桿和大廠房4種干擾工況研究，并分析了各工況下基于響應(yīng)平均值、均方差和極大值的干擾因子分布規(guī)律；文獻(xiàn)[5-7]基于CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值模擬方法對考慮不同塔間距、組合形式和透風(fēng)率等參數(shù)影響獲得了冷卻塔附近流場變化規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)歸納了冷卻塔的干擾效應(yīng)；文獻(xiàn)[8-11]通過CFD和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對山體環(huán)境下的冷卻塔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明了山體等周邊環(huán)境將進(jìn)一步增大群體結(jié)構(gòu)表面平均和脈動風(fēng)壓分布與單體結(jié)構(gòu)之間的差異?，F(xiàn)有成果鮮有針對復(fù)雜山地環(huán)境下的群塔組合特大型冷卻塔的風(fēng)致干擾特性和機(jī)理進(jìn)行研究。

鑒于此，以國內(nèi)在建復(fù)雜山地環(huán)境下四塔組合特大型冷卻塔為工程背景，建立高精度的復(fù)雜地形、周邊建筑和冷卻塔群的三維實(shí)體足尺模型，基于CFD方法對不同來流風(fēng)向角下考慮復(fù)雜山地四塔組合冷卻塔的周圍流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過單塔表面風(fēng)壓分布與規(guī)范及實(shí)測曲線的對比驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。在此基礎(chǔ)上，對比分析了考慮復(fù)雜山地和周邊建筑干擾時冷卻塔表面最大負(fù)壓、基于最大負(fù)壓的干擾因子和平均風(fēng)壓分布特性，同時通過對各塔最不利工況下周邊速度和渦量變化進(jìn)行分析提煉出復(fù)雜山地和塔群之間的風(fēng)致干擾機(jī)理。

1 工程概況

該工程冷卻塔塔頂標(biāo)高為210 m，喉部標(biāo)高157.5 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高32.5 m，喉部內(nèi)面直徑110 m，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)面直徑159 m，零米直徑為180 m，塔筒下部由52對X型支柱與環(huán)基相連。四塔組合采用典型的斜L型布置，各塔中心距均為冷卻塔塔底直徑的1.5倍(規(guī)范規(guī)定的最小塔間距)，且綜合考慮山體及構(gòu)筑物的干擾能力和實(shí)驗(yàn)的便捷性，選取以建筑2為圓心半徑為700 m范圍內(nèi)的高度大于30 m的結(jié)構(gòu)考慮其干擾效應(yīng)，主要干擾建筑物高度如表1所示。電廠周邊存在環(huán)繞塔群的復(fù)雜山體，且山頂?shù)淖畲蟾叨冗_(dá)135 m，已接近冷卻塔的喉部高度，從理論上可能存在顯著的山地干擾效應(yīng)。

定義冷卻塔A和B的中垂線方向?yàn)?°風(fēng)向角，逆時針每隔22.5°為一個工況，共計(jì)16個工況?？紤]到冷卻塔百葉窗的常規(guī)工作狀態(tài)，按30%透風(fēng)率考慮百葉窗開啟效應(yīng)，不同透風(fēng)率的百葉窗開啟狀態(tài)對冷卻塔周圍流場的影響詳見文獻(xiàn)[12]。圖1給出了冷卻塔的結(jié)構(gòu)示意圖和平面布置圖。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 平面布置圖圖1 冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖和平面布置圖Fig.1 The structure diagram and plane layout of cooling towers

表1 主要干擾建筑物匯總表

2 CFD數(shù)值模擬及有效性驗(yàn)證

2.1 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

為保證冷卻塔尾流能夠充分發(fā)展[13]，計(jì)算域尺寸設(shè)置為順風(fēng)向80D×橫風(fēng)向45D×豎向4H，其中D為冷卻塔零米直徑，H為塔高，計(jì)算模型中心距離計(jì)算域入口為5 000 m，模型最大堵塞度不超過2%。為了兼顧計(jì)算效率和精度，將整個計(jì)算域劃分為外圍區(qū)域和局部加密區(qū)域，外圍區(qū)域形狀規(guī)整，采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，局部加密區(qū)域內(nèi)含冷卻塔、復(fù)雜山體和周圍建筑等模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。核心區(qū)最小網(wǎng)格尺寸為0.2 m，整體模型總網(wǎng)格數(shù)量超過5 000萬，網(wǎng)格最小正交質(zhì)量大于0.4(要求大于0.1且杜絕出現(xiàn)負(fù)體積[14])，網(wǎng)格數(shù)目及質(zhì)量均滿足計(jì)算要求。計(jì)算域及模型網(wǎng)格劃分如圖2所示(限于篇幅，僅給出0°來流風(fēng)向角工況)。

圖2 計(jì)算域及模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 The sketch maps of computational field and model mesh

2.2 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

計(jì)算域采用速度入口和壓力邊界出口，按照B類地貌設(shè)置大氣邊界層指數(shù)風(fēng)剖面和湍流度剖面，將模擬的脈動風(fēng)譜進(jìn)行擬合，并與Davenport譜、Harris譜及Karman譜進(jìn)行比較，可認(rèn)為該風(fēng)場模擬的脈動風(fēng)譜滿足工程要求(見圖3)，其中地面粗糙度指數(shù)為0.15，10 m參考高度處的基本風(fēng)速為23.7 m/s，并通過UDF(User Defined Function)文件定義上述脈動風(fēng)場；地面以及冷卻塔表面采用無滑移壁面，頂部和側(cè)面采用等效于自由滑移壁面的對稱邊界條件。

數(shù)值計(jì)算采用3D單精度、分離式求解器，空氣風(fēng)場選用不可壓縮流場，湍流模型選用雷諾平均方法中的SST模型，壓力速度耦合方程組求解采用SIMPLEC格式，對流項(xiàng)求解格式為二階，計(jì)算過程中設(shè)置了網(wǎng)格傾斜校正以提高混合網(wǎng)格計(jì)算效果，控制方程的計(jì)算殘差設(shè)置為1×10-6。

(a) 平均風(fēng)剖面及湍流強(qiáng)度分布圖

(b) 脈動風(fēng)譜對比圖圖3 B類風(fēng)場模擬結(jié)果示意圖Fig.3 The result diagrams of wind field simulation of class B

2.3 單塔數(shù)值模擬與有效性驗(yàn)證

考慮到單個冷卻塔的對稱性，本文僅進(jìn)行了0°風(fēng)向角試驗(yàn)工況。圖4給出了單塔數(shù)值模擬結(jié)果圖，由圖可知：①平均壓力分布左右對稱且從迎風(fēng)面到背風(fēng)面呈現(xiàn)出先減小后增大直至平穩(wěn)的分布規(guī)律，與規(guī)范類似；②氣流在冷卻塔頂部前緣發(fā)生流動分離且局部出現(xiàn)加速效應(yīng)，持續(xù)發(fā)展后在背風(fēng)面形成尾流渦旋以及回流。

圖5給出了單塔喉部斷面平均風(fēng)壓系數(shù)與規(guī)范及實(shí)測曲線對比示意圖。分析可知，單塔喉部斷面平均風(fēng)壓分布曲線的負(fù)壓極值點(diǎn)和分離點(diǎn)對應(yīng)角度與規(guī)范和西熱曲線[15]一致，迎風(fēng)和背風(fēng)區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值吻合較好，側(cè)風(fēng)區(qū)負(fù)壓在規(guī)范與西熱曲線之間。

圖4 單塔數(shù)值模擬結(jié)果示意圖Fig.4 The result diagrams of numerical simulation for single cooling tower

圖5 單塔喉部斷面數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范及實(shí)測曲線對比示意圖Fig.5 Contrast diagram among numerical simulation, standard and actual measuremen result

3 山地環(huán)境下四塔組合數(shù)值模擬

3.1 干擾因子及分布規(guī)律

在國內(nèi)外冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范中，以德國VGB規(guī)范對冷卻塔群塔干擾因子的規(guī)定較為詳細(xì)，其群塔干擾因子的表達(dá)式為

(1)

式中：FI為干擾因子；Pg為群塔干擾參數(shù)；Ps為單塔參數(shù)。

文獻(xiàn)[16-17]研究表明：冷卻塔外表面最大負(fù)壓能直接反映群塔受風(fēng)荷載的最不利干擾情況，適于作為指導(dǎo)復(fù)雜環(huán)境下群塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)的干擾參數(shù)。故本文中基于最大負(fù)壓的干擾因子FI定義為

(2)

式中：FI為基于最大負(fù)壓的干擾因子；Cpq和Cpd分別為群塔和單塔的表面風(fēng)壓系數(shù)；θ和z分別為冷卻塔的環(huán)向角度和子午向高度。

表2給出了復(fù)雜山地環(huán)境下四塔組合布置時不同風(fēng)向角下各塔最大負(fù)壓值，圖6給出了各冷卻塔基于最大負(fù)壓的干擾因子數(shù)值及對應(yīng)角度示意圖。由圖表可知：①各冷卻塔在不同風(fēng)向角下的干擾因子數(shù)值均有不同，表明了復(fù)雜山地對冷卻塔群來流湍流和風(fēng)壓分布模式的影響顯著；②塔A、塔B、塔C和塔D的最不利來流風(fēng)向角下最大負(fù)壓值對應(yīng)高度與山頂高度較為接近，其基于最大負(fù)壓的最大干擾因子分別為1.328、1.430、1.375和1.332，對應(yīng)的最不利風(fēng)向角依次為292.5°、247.5°、112.5°和157.5°；③本文最不利工況下基于最大負(fù)壓的干擾因子為1.43，是由塔B在247.5°來流風(fēng)向角下引起，其與塔A、塔C和塔D的最不利工況下基于最大負(fù)壓的干擾因子相比分別大7.1%、3.8%和6.8%。

表2 各冷卻塔不同風(fēng)向角下最大負(fù)壓值

3.2 平均風(fēng)壓分布特性

基于圖6給出的四塔組合冷卻塔不同來流風(fēng)向角下基于最大負(fù)壓的干擾因子數(shù)值及分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)考慮復(fù)雜山地環(huán)境各冷卻塔最不利風(fēng)向角下基于最大負(fù)壓的干擾因子數(shù)值普遍較大，為分析其形成原因和給出相應(yīng)機(jī)理解釋，圖7和圖8分別給出了各冷卻塔最不利風(fēng)向角下三維壓力系數(shù)云圖和最大負(fù)壓截面壓力云圖。分析可知：①復(fù)雜山地對冷卻塔群風(fēng)壓分布模式的影響顯著，各塔表面平均壓力系數(shù)的對稱性消失，但整體上仍滿足從迎風(fēng)面到背風(fēng)面呈現(xiàn)出先減小后增大直至平穩(wěn)的分布規(guī)律；②不同風(fēng)向角下同一冷卻塔表面平均風(fēng)壓數(shù)值差異顯著，不同冷卻塔表面平均風(fēng)壓分布亦有很大區(qū)別；③特定風(fēng)向角下前塔對后塔的阻擋作用使得前后塔之間的相互干擾作用顯著，前塔的尾流作用影響了后塔的風(fēng)壓分布，而后塔的風(fēng)壓分布也將改變前塔的尾渦，使得前塔背風(fēng)面會呈現(xiàn)正壓分布。

圖7 各冷卻塔最不利風(fēng)向角下三維壓力系數(shù)云圖Fig.7 The contours of three-dimensional stress coefficient of every cooling tower under most unfavorable wind directions

圖8 各冷卻塔最不利風(fēng)向角下最大負(fù)壓截面壓力云圖Fig.8 The stress contours of every cooling tower on the biggest pressure sections under most unfavorable wind directions

3.3 干擾機(jī)理研究

圖9～圖14分別給出了各冷卻塔最不利風(fēng)向角下三維及典型截面速度流場圖、最大負(fù)壓截面速度矢量圖和最大負(fù)壓截面渦量圖，根據(jù)不同風(fēng)向角下冷卻塔是否受復(fù)雜山體、周邊建筑和其它冷卻塔對來流風(fēng)的影響，將冷卻塔分為受干擾塔和未干擾塔。由圖分析可知：

(1) 由于未干擾塔沒有受到上游干擾物的阻礙作用，來流在冷卻塔迎風(fēng)面產(chǎn)生分離，沿塔筒外壁繞流且加速流經(jīng)塔筒兩側(cè)，在背風(fēng)面分離并形成大尺寸渦旋脫落，由于雙曲線型冷卻塔在喉部位置的頸縮，此時喉部斷面兩側(cè)加速流動更加顯著；而由于上游干擾物對來流的阻擋使得受干擾塔流動分離點(diǎn)偏離，氣流在干擾物與冷卻塔之間相互作用且流動紊亂，尤其以喉部位置最為顯著，同時在塔頂背風(fēng)面區(qū)域形成大范圍渦旋脫落現(xiàn)象；

(2) 隨著高度的增加，周圍復(fù)雜山體和建筑物對冷卻塔干擾作用減小，但不同冷卻塔之間的相互干擾效應(yīng)依然顯著，不同風(fēng)向角下冷卻塔周圍流場差異顯著，但均在塔筒背風(fēng)面產(chǎn)生回流以及尺度不同的渦旋；

(3) 考慮復(fù)雜山地環(huán)境和周邊建筑干擾時，各冷卻塔周邊渦量分布出現(xiàn)差異，主要體現(xiàn)在冷卻塔兩側(cè)和尾部出現(xiàn)了明顯了渦量增值區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)渦旋形成區(qū)域，反應(yīng)了由于大尺寸渦旋的產(chǎn)生導(dǎo)致此時湍流作用強(qiáng)度增大，進(jìn)而使冷卻塔周圍流場流動更加紊亂；

(4) 復(fù)雜山地對冷卻塔群來流湍流和風(fēng)壓分布模式的影響顯著，相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]研究表明無復(fù)雜山地干擾時常見群塔干擾因子普遍小于1.4，而本文最不利工況下基于最大負(fù)壓的干擾因子達(dá)1.43，該工況為塔B在247.5°來流風(fēng)向角下引起，分析原因是山體海拔較高且距離冷卻塔很近，復(fù)雜山體在該角度下形成低矮狹谷入口并改變了冷卻塔的來流湍流，同時塔C與建筑3之間形成的“夾道效應(yīng)”使得來流風(fēng)在夾道中速度增加且在夾道壁面之間相互碰撞與對流，進(jìn)一步增強(qiáng)了塔B周圍流場的漩渦強(qiáng)度，高強(qiáng)度渦旋掠過塔B迎風(fēng)面上升至近喉部標(biāo)高側(cè)風(fēng)區(qū)域，而冷卻塔近喉部位置的頸縮進(jìn)一步促進(jìn)了湍流增益，加速了漩渦脫落，最終顯著增大了塔筒側(cè)風(fēng)面最大負(fù)壓數(shù)值。

圖9 塔A最不利工況(292.5°風(fēng)向角)速度流場圖Fig.9 Diagrams of velocity flow field of cooling tower A under the most disadvantage condition

圖10 塔B最不利工況(247.5°風(fēng)向角)速度流場圖Fig.10 Diagrams of velocity flow field of cooling tower B under the most disadvantage condition

圖11 塔C最不利工況(112.5°風(fēng)向角)速度流場圖Fig.11 Diagrams of velocity flow field of cooling tower C under the most disadvantage condition

圖12 塔D最不利工況(157.5°風(fēng)向角)速度流場圖Fig.12 Diagrams of velocity flow field of cooling tower D under the most disadvantage condition

圖13 各冷卻塔最不利風(fēng)向角下最大負(fù)壓截面速度矢量圖Fig.13 Diagrams of velocity vector of every cooling tower on the biggest pressure sections under worst wind directions

圖14 各冷卻塔最不利風(fēng)向角下最大負(fù)壓截面渦量圖Fig.14 Diagrams of vorticity of every cooling tower on the biggest pressure sections under worst wind directions

4 結(jié) 論

(1) 復(fù)雜山地環(huán)境的干擾比不考慮地形的群塔干擾影響更大：一方面山體海拔較高且距離冷卻塔很近時易在低洼處形成低矮狹谷入口，增強(qiáng)了冷卻塔群的來流湍流；另一方面周邊復(fù)雜環(huán)境會形成“夾道效應(yīng)”，來流風(fēng)在夾道中速度增加且在夾道壁面之間相互碰撞與對流，進(jìn)而顯著增強(qiáng)了冷卻塔周圍流場的漩渦強(qiáng)度，而高強(qiáng)度渦旋掠過塔筒迎風(fēng)面上升至近喉部標(biāo)高側(cè)風(fēng)區(qū)域，且冷卻塔近喉部位置的頸縮進(jìn)一步促進(jìn)了湍流增益與漩渦脫落，最終顯著增大了塔筒側(cè)風(fēng)面最大負(fù)壓值。

(2) 在平均壓力系數(shù)方面，復(fù)雜山地對冷卻塔群風(fēng)壓分布模式的影響顯著，各塔表面平均壓力系數(shù)的對稱性消失，且不同風(fēng)向角下冷卻塔表面平均壓力系數(shù)差異顯著，同時在特定風(fēng)向角下前塔對后塔的阻擋作用使得前后塔之間的相互干擾作用顯著，前塔的尾流作用影響了后塔的風(fēng)壓分布，而后塔的風(fēng)壓分布也將改變前塔的尾渦，使得前塔背風(fēng)面會呈現(xiàn)正壓分布。

(3) 與不考慮周邊環(huán)境的群塔干擾相比，復(fù)雜山體將顯著增大冷卻塔群最大負(fù)壓值，進(jìn)而增大其群塔干擾因子，由于復(fù)雜山體在低洼處形成的低矮狹谷和周邊建筑“夾道效應(yīng)”的影響，本文四塔組合特大型冷卻塔在最不利來流風(fēng)向角下基于最大負(fù)壓的干擾因子最大可達(dá)1.43，遠(yuǎn)大于沒有復(fù)雜地形下工程常見群塔干擾因子，研究結(jié)論可為此類考慮復(fù)雜山地環(huán)境的特大型冷卻塔的群塔干擾因子取值提供參考。

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