不同塔型双塔布置特大型冷却塔山地环境干扰效应研究

不同塔型双塔布置特大型冷却塔山地环境干扰效应研究*

孙文1柯世堂2陈德文1张永飞1

（1.山东电力工程咨询院有限公司 济南250013；2.南京航空航天大学土木工程系 210016）

摘要：为研究塔型因素、复杂山形对双塔布置冷却塔干扰效应的影响规律，以国内在建210m高双塔布置冷却塔为例，基于风洞试验获得了不同塔型冷却塔考虑复杂山形双塔布置冷却塔表面压力分布模式。在此基础上，对比分析了三种塔型冷却塔的平均风压和脉动风压分布规律，探讨了考虑复杂山形和周边建筑干扰时塔型因素对干扰效应的影响，最后针对最不利工况进行了复杂山形和塔群之间的风致干扰机理研究。结果表明塔型因素对冷却塔干扰效应影响显著。本文主要结论可为此类复杂地形下双塔组合冷却塔塔型选取提供科学依据。

关键词：复杂山形 双塔布置 塔型因素 特大型冷却塔 风洞试验 干扰效应

引言

大型冷却塔属于典型的风敏感结构，常见双塔布置下冷却塔群的风荷载干扰效应极为严重［1-3］，现行国内规范［4-5］及国外规范［6］给出了不同塔间距下双塔布置冷却塔的干扰因子取值。针对大型冷却塔双塔干扰效应的研究，文献［7］通过气弹模型试验进行了双塔风效应干扰研究，并分析了基于响应平均值、均方差和极大值的干扰因子分布规律；文献［8-9］基于测压试验对山体环境下冷却塔等结构进行了等效静风荷载和干扰效应研究，结果表明山体等周边环境将显著增大冷却塔表面平均和脉动风压；文献［10-11］采用CFD方法，对双塔组合下不同塔间距、组合形式和透风率影响进行了流场特性和风压分布特性研究，进而总结归纳了冷却塔的干扰效应。考虑到可能存在的周边复杂山形和塔型因素［12］的影响，国内外鲜有学者对考虑不同塔型下复杂山形和冷却塔塔群之间的干扰效应进行系统研究，导致工程设计人员不能准确预估干扰效应对特大型冷却塔抗风安全性的影响。

鉴于此，以国内在建复杂山形下双塔布置特大型冷却塔为工程背景，进行了三种典型塔型冷却塔测压风洞试验，对考虑复杂山形双塔布置冷却塔的风压分布模式进行了系统研究，对比分析了考虑复杂山形和周边建筑干扰时冷却塔表面干扰因子的分布特性，并提炼出塔型因素对山地风环境下冷却塔干扰因子取值的影响规律。旨在为此类考虑复杂山形环境的特大型冷却塔的双塔干扰因子取值提供参考。

1 工程概况

该工程拟采用三种冷却塔塔型，三种塔型控制尺寸如图1所示。其中塔型1～塔型3分别高210m、200m和190m，且塔型1和塔型3壳底斜率相对塔型2均较大，即属于“矮胖”塔型。该工程中双塔采用东西方向平行布置，塔中心距为冷却塔塔底直径D的1.5倍（规范［4-5］规定的最小塔间距），综合考虑复杂山形及构筑物的干扰能力和试验的便捷性，选取冷却塔周边高度大于30m的结构考虑其干扰效应。电厂周边存在环绕塔群的复杂山形，且山顶的最大高度达135m，已接近冷却塔的喉部高度。

图1 三种塔型冷却塔结构示意图
Fig.1 The structure diagram of cooling towers with three tower shapes

风洞试验中定义冷却塔A和B的中垂线方向为0°风向角，逆时针每隔22.5°为一个工况，共计16个工况。按30%透风率考虑百叶窗开启效应［11］，图2给出了双塔和周边山地与建筑物平面布置图。

图2 冷却塔及周边干扰物平面布置示意图
Fig.2 The plane layout of cooling towers and surroundings

2 试验简介

试验在南京航空航天大学NH-2大气边界层闭口回流式矩形截面风洞中进行，试验段截面尺寸为5.0m×4.5m。试验风场按B类地貌流场模拟，风剖面指数为0.15。考虑到紊流积分尺度与阻塞率的要求［13］，冷却塔测压模型、周边地形与主要建筑模型的几何缩尺比选为1∶400，模型采用具有足够强度和刚度的亚克力材料制成。在待测冷却塔外表面沿子午向和环向均匀布置12×36＝432个测压点，三种塔型冷却塔模型及模型布置如图3和图4所示。试验采样频率为512Hz，测点采样长度为10240个数据。

3 结果分析

3.1 干扰因子定义

干扰效应研究中通常采用干扰因子评估周边构筑物对受扰建筑的干扰效应，本文干扰因子定义为［1，2］：式中：KD为干扰因子；CDm为给定流场下多塔整体阻力系数极值；CDs为相应流场条件下单塔整体阻力系数极值，阻力系数极值计算公式为［1，2］：

式中：CDmean为阻力系数的均值；CDrms为根方差；本文峰值因子g取为2.5［13］。其中单塔整体阻力系数极值由单塔风洞试验得出，为0.7444。

图3 三种塔型冷却塔测压试验模型
Fig.3 Themodels of three shape cooling towers for pressure test

图4 风洞试验布置图
Fig.4 Layout ofwind tunnel experiment

3.2 山地干扰效应

以塔型1为例，图5给出了考虑复杂山形双塔布置时不同风向角下各塔阻力系数均值、根方差和极值，可以发现当两冷却塔处于90°和270°风向角时均表现为明显的遮挡效应，其他风向角下冷却塔阻力系数分布规律与常规两塔布置均较为类似［8］。值得注意的是当冷却塔处于247.5°风向角下时，塔A的各阻力系数特征值均出现明显的激增，结合地形分析可知此时塔A正好处于上游山地峡谷尾流区，导致较大的干扰效应出现。

图6给出了各冷却塔干扰因子及对应角度示意，由图可知：①塔A和塔B干扰因子沿风向角分布并不对称，结合已有研究结论［8，11］可知这是由于山地效应的影响导致冷却塔风荷载发生改变，表明了复杂山形对冷却塔群来流湍流和风压分布模式的影响显著；②塔A最大干扰因子为1.586，发生在247.5°风向角，塔B最大干扰因子为1.292，发生在225°风向角，均明显大于规范［4-5］给出的此类布置冷却塔的“塔间干扰系数”。

图5 塔A和塔B整体阻力系数特征值随风向角变化曲线
Fig.5 The sketchmaps of the overall drag coefficient characteristic value of tower A and B changing with the wind angle

图6 各冷却塔干扰因子及对应角度示意
Fig.6 The sketch maps of interference factors and corresponding angles of every cooling tower

3.3 干扰机理分析

图7给出了塔A在最不利风向角下（247.5°）喉部压力系数均值、根方差和极值与规范［4-5］单塔推荐值对比图。分析可知：复杂山形及塔群干扰对冷却塔群风压分布模式的影响显著；各塔表面平均压力系数整体上仍满足从迎风面到背风面先减小后增大直至平稳的分布规律。压力系数根方差沿环向的对称性几乎消失，尤其是在塔A最不利工况下脉动压力系数在环向300°附近出现激增现象，这也导致了塔A在最不利工况下风压极值沿环向不对称。复杂山形及塔群干扰对冷却塔压力系数均值、根方差和极值的数值均存在放大作用，且对塔B最不利工况的放大作用略大于塔A。综上所述，导致塔A和塔B干扰因子大于1的现象与冷却塔所受静力、动力和极值风压数值大于单塔情况有关，而风压分布模式对于干扰效应的影响不可忽略，在某些工况下甚至成为控制因素。

图7 单塔和塔A/B最不利工况下喉部压力系数特征值沿环向分布曲线
Fig.7 Curves of characteristic values of Cpin laryngeal of single tower and themost unfavorable conditions of tower A/B

3.4 塔型因素影响

图8给出了考虑复杂山形双塔布置时不同塔型干扰因子的分布情况，由图可知：①塔型因素对干扰因子沿风向角的变化规律影响微弱；②塔型1的干扰因子相对较大，塔型3的干扰因子在大多来流风向角下与塔型1接近，而塔型2的干扰因子普遍低于塔型1和塔型3；③“瘦高”塔型干扰系数相对“矮胖”塔型具有较小的干扰因子。

图8 三种塔型冷却塔干扰因子随风向角变化曲线
Fig.8 The sketch maps of interference factors and corresponding angles of three shape cooling towers

4 结论

本文采用风洞试验的方法系统研究了山地风环境和塔型因素对特大型冷却塔干扰效应的影响规律，并基于冷却塔表面平均、脉动和极值风压分布对最不利工况下干扰机理进行了探讨。主要结论如下：

1.复杂山形的干扰比不考虑周边环境的群塔干扰影响更大，分析原因是山体海拔较高且距离冷却塔很近时易在低洼处形成低矮狭谷入口，增强了冷却塔的来流湍流，同时周边复杂环境会形成“夹道效应”，最终导致冷却塔表面风压数值更大且分布模式不再对称。

2.塔型因素对山地风环境下双塔布置冷却塔的干扰效应有较显著的影响，文中3种塔型最大干扰因子相差达到10%，且“矮胖”塔型冷却塔受山地和周边建筑干扰更为明显。

3.相关研究及工程实例表明，无复杂山形干扰时常见群塔干扰因子普遍小于1.45，而由于复杂山形等周边环境形成的低矮峡谷和“夹道效应”影响，本文基于风洞试验方法分析得到的最不利工况干扰因子达到1.586（塔型1）。

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Interference Effects ofW ind Pressures on Tw in Super-large Cooling Towers w ith Different Shapes under Com plex Hilly Terrains

Sun Wen1Ke Shitang2Chen Dewen1Zhang Yongfei1
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2.Department of Civil Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，210016，China）

ABSTRACT：Taking an under-construction 210m twin super-large cooling towers as an example，wind-induced interference effects were investigated for different tower shapes under complex hilly terrains in this paper.The wind pressure distributions on the shell surface were obtained based on wind tunnel tests.The mean pressure and fluctuating pressure distributions of three tower shapeswere compared；thewind induced interference effects of surrounding building and complex hilly terrains on different tower shapeswas discussed.Then，wind-induced interference effects under themost unfavorable conditionswere investigated.The results show that complex hilly terrains has significant effect on flow turbulence and wind pressure distributions.The main conclusions of this paper can provide a scientific basis for the selection of cooling tower shape of twin towers combination in this complex terrain.

KEYWORDS：Complex hilly terrain Twin towers Tower shape factor Super-large cooling tower Wind tunnel test Interference effect

*基金项目：江苏省优秀青年

基金项目：（BK20160083）和国家自然科学基金（51208254）联合资助