冷却塔外部风压分布数值模拟研究*

孙晓勇，袁子厚，胡新荣

（1.中南电力设计院， 湖北 武汉430071；2.湖北省服装信息化工程技术研究中心，湖北 武汉430073；3.山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心(重庆交通大学)，重庆 400074）

风荷载是双曲线型冷却塔的主要荷载之一，确切地给出风荷载对确保冷却塔的安全性有着重大的意义。

中泰化学新疆托克逊100 万t 电石新建工程冷却塔塔高155m，该塔为现浇钢筋混凝土双曲线型薄壳结构，冷却塔外壁上等间距布置60 个肋，塔筒由40 对钢筋混凝土矩形“X”形支柱支撑，如图1 所示。

CFD 方法是目前广泛应用的确定高层建筑和大跨度平屋面等的平均和脉动风荷载的方法。其可以按照实际尺寸进行计算，可避免风洞试验只能进行缩尺试验的不足，克服试验中难以满足雷洛数相似的困难，且成本低，速度快。但是国内外采用CFD 方法计算冷却塔风荷载的实例较少[1-3]。比较常见的是运用CFD 方法对单体和双塔情况下冷却塔的风荷载进行数值模拟计算，但没有进行现场实测，没有与对应的现场实测数据对比。本文对冷却塔风荷载进行数值模拟计算并与现场实测数据对比，验证数值模拟方法的有效性。

既有资料表明，英国渡桥电厂冷却塔倒塌，主要是迎风面子午向钢筋受拉屈服断裂造成的，因此冷却塔子午向风压分布是在冷却塔风荷载设计过程中必须充分考虑的问题。现场实测时冷却塔风压监测在78.5m 高截面布置30 个外测点，在100.5m 高截面布置12 个外测点，无法确定冷却塔子午向风压分布，本文采用数值模拟方法补充这一关键数据。

1 数值建模

数值分析不考虑冷却塔在风载荷作用下的变形，计算采取的物理模型如图1 所示。本文计算采用的矩形区域，流向迎风面边界取在距离模型中心5H 位置（H 为冷却塔的高度），其左右及上边界也均距离模型中心5H。为了更好地模拟模型尾流的发展，其下游出口边界距离模型中心10H，计算区域参如图2 所示。冷却塔的网格单元总数为220 万。

图1 冷却塔示意图

图2 冷却塔数值模拟网格分布图

数值模型模拟分析的边界条件：

（1）计算区域的迎风面上给定速度入口边界条件，用指数律模拟大气边界层风剖面。

来流中湍流动能k 以及湍流耗散率ε 的剖面函数：

式中：Cu=0.09；l 为湍流积分尺度，这里取值为0.07倍的建筑特征尺度。

用UDF 函数自定义入口风函数。

（2）尾流出口采用outflow 边界条件。

（3）计算域的顶部和两侧，采用对称边界条件，对称边界条件等价于自由滑移的壁面，满足边界上法向速度为0。

（4）建筑物表面和地面，采用无滑移的壁面条件。

本文计算中采用了Realizable 形式的k-ε 湍流模型，来流的湍流强度为Iu（z）=0.1（z/zG）-α-0.05。

假定采用B 类地貌条件进行分析，取u10=18m/s 作为参考风速。

压力速度耦合采用SIMPLE 算法，动量方程和湍动能及湍动能耗散率方程均采用一阶离散格式。计算迭代收敛的标准为所有变量的残差降到10-5以下并且流场区域中参数变化趋于定常。采用非平衡的壁面函数法来处理近壁面的湍流状态。

2 计算结果与分析

现场实测数据以风速较大（最大风速达14.53m/s）、风速风向稳定的工况1 为例计算。

用现场实测（工况1）测出的78.5m、30 个测点压力值可以求出30 个测点处的风压系数，用数值模拟方法可以得出对应位置30 个点的风压系数，两者数据对比如图3 所示（由于30 个点对称，取一半对比），两者数据有一致的规律性。

用现场实测（工况1）测出的100.5m、12 个外测点压力值，可以求出12 个外测点处的风压系数，用数值模拟方法可以得出对应位置12 个点的风压系数，两者数据对比如图4 所示（由于30 个点对称，取一半对比），两者数据有一致的规律性。

图3 78.5m 高测点数值计算、实测数据对比

图4 100.5m 高测点数值计算、实测数据对比

从图3、图4 可知，冷却塔CFD 模拟的结果与现场实测数据有一致的规律性，说明CFD 方法的准确性。鉴于CFD 方法的合理性，现从CFD 计算中提取冷却塔原型风压子午向数据如图5 ～7 所示。

3 冷塔原型风压子午向分布

4 数值对比

将数值模拟风压系数与中国规范、德国规范、实测数据进行比较，如图8 所示。从图8 可知，数值模拟风压系数与中国规范[4]、德国规范、实测数据规律一致。

图5 冷却塔迎风面子午线风压分布

图6 冷却塔背风面子午线风压分布

图7 冷却塔侧面子午线风压分布

图8 数值模拟与规范、实测数据比较图