对不同布置形式的冷却塔CFD数值模拟分析

摘要： 风荷载是大型冷却塔的主要设计载荷，尤其是风荷载产生的脉动压力，对冷却塔的结构稳定性和安全性影响是非常大。本文应用CFD方法对不同布置形式的冷却塔进行风压数值模拟，研究了塔间的相互干扰效应。

关键词：风荷载，冷却塔，CFD， 干扰效应

Abstract： The wind load is the main load on the large cooling tower. Especially the influence from the pulsating pressure of wind load is very serious for the cooling tower structure stability and security. This paper adopts CFD method to simulate the wind pressure on the cooling tower， evaluate the interference effects produced on a group of large cooling towers.

Key words： wind load； cooling tower； CFD； interference effects，

冷却塔具有高度高、体积大、自重轻、自振频率低而且密集等特点，属于风敏感结构，风荷载是主要的设计载荷，尤其是风荷载中的脉动部分，产生的脉动压力，可能会造成冷却塔的瞬时风致响应远大于平均风荷载下的响应，造成较大的危害[1，2]。1965年，英国Yorkshire郡渡桥的电厂冷却塔群在一起大风中发生3塔倒塌事故，塔群结构的布置不合理是原因之一。

吕付玉等[3]应用CFD方法建立了两个典型高层建筑的数值风洞模型，进行了建筑表面风压的模拟和验证，证明了数值风洞可以很好的反映建筑风压的分布规律，具有较好的精度和参考价值。李正良等[4]以某复杂体型高层建筑为例，对其风荷载进行了风洞试验和CFD数值模型研究，验证了数值模拟方法的有效性。刘维瑞[5]详细探讨了CFD技术在复杂高层建筑上的应用。傅小坚[6]对双塔形式的高层建筑进行了数值模拟研究，与试验比较，取得了较好的结果。随着CFD理论的发展和计算机处理能力的提高，数值风洞已经成为继风洞试验后，预测建筑表面风压有效方法。

本文针对目前急需研究的大型甚至是超大型冷却塔，进行了CFD数值模拟，对一字形四塔排列模型，倒三角和正三角形品字形多塔排列模型进行了计算。不同的排列方式，塔间的相互干扰效应不同，对各个塔身表面的风压分布也不尽相同。

1. 倒三角和正三角品字形排列方式下的风压比较

三个冷却塔构成品字形排列时，由于风速方向可能随时发生改变，因此以风速方向为参考时，可能出现两种截然不同的排列方式。

倒三角排列时，3号冷却塔在1和2号冷却塔的后方；正三角排列时，位于1和2号冷却塔的前方。冷却塔底部圆心之间的距离为1.5D（D为冷却塔底部圆截面的直径）。

四个冷却塔成一字形排列时，由于狭缝效应，中间的冷却塔表面风压较大。冷却塔的布置形式如下图所示，冷却塔底部圆心之间的距离为1.5D。

采用环向的角度表示沿环向的风压分布情况。图4表示了环向角度的定义方式，过中心轴线的纵向剖面与塔身迎风面的切线位置表示了环向角度的0度位置， 沿环向在[0，360]间变化。

1.1 边界条件设定

計算域的入口采用速度入口条件，其速度随高度的变化按照公式（1）计算。

流域的出口为压力出口。地面定义为Wall属性，流域侧面及顶面定义为SYM属性。流域内的冷却塔表面均定义为Wall属性。近壁面函数为标准壁面函数。

1.2 网格模型

采用三角形单元和四面体单元划分面网格和体网格。基于Ansys ICEM软件平台，对计算域划分网格，以倒三角品字形排列方式为例，模型共计包含10，898，212个单元。为充分考虑高层建筑的绕流特性，在塔两侧的横向流域都对网格进行了加密。此外，对塔身内部，近地面以及冷却塔背风面的尾流区域等位置都进行了网格的加密处理，其他位置的网格划分相对较粗。冷却塔倒三角和正三角品字形布置时，网格划分方式相同。

1.3风压分布曲线比较

不同高度下的冷却塔表面风压曲线比较见下列图形所示。

通过对1号冷却塔在倒三角和正三角品字形排列中，塔身表面的风压进行比较可以知道：

①1号塔在两种排列方式下的最大正压和负压基本相同，在某些和高度（140m

和160m）存在差别，但差别较小，整体上可以认为最大正压和负压分布基本相同。

②从迎风面到分离区，直至背风面，风压分布曲线形态基本相同，在背风区的风压曲线受3号塔位置的影响，相对差别较大。

③ 正三角排列的风压分布曲线相对倒三角而言，不同高度下，分离点均有所提前。

理想状态下，1号和2号冷却塔的风压分布规律应该相同，但CFD计算中，受到网格划分不可能完全对称以及数值计算误差的影响，1号和2号塔的风压分布有所差异。考虑到1和2号塔的最大正压和最大负压，以及除背风面外的风压分布曲线基本相同，所以认为2号塔在两种排列方式中，体现出来的规律特点和1号塔相同，故不在重复作图比较。

3号塔在两种排列方式下，受到的影响相比1和2号塔偏大，对此也对其风压分布曲线进行了比较。

通过比较3号冷却塔在倒三角和正三角品字形排列时，塔身表面的风压分布曲线，可以知道：

①在塔身的底端和中段（如20m～160m高度），正三角排列中的3号塔的最大正压大于倒三角排列中的对应值，最大负压小于倒三角排列中的对应中，并且从迎风面至背风面，正三角排列的风压曲线基本均位于倒三角排列的风压分布曲线上方。

②在塔身顶端（180m以上），3号塔的最大正压在两种排列中基本相同，而正三角排列的最大负压略大于倒三角排列的最大负压。

③正三角排列中，3号塔两侧的气流分离点均滞后于倒三角排列下的气流分离点。

1.4 小结

通过比较1，2和3号冷却塔的不同品字形排列方式下的风压分布，可以发现，倒三角和正三角品字形排列时，塔身的表面最大正压和负压均相差不大。相比较言，3号塔的风压分布变化略大。

1，2和3号塔背风区的风压分布曲线在不同排列中的变化较大，而迎风面和分离区的风压分布曲线形态十分接近。

不同的排列方式，对塔身周围气流的分离点产生影响。正三角排列中，在1和2号塔的内侧分离区，气流分离点比倒三角排列有所提前，而外侧的分离点，由于受狭缝效应的影响较小，变化较小。

3号冷却塔的气流分离点受不同排列方式的影响较大，正三角排列中塔身两侧的气流分离点均比倒三角排列的气流分离点滞后。

2 一字形四塔排列和品字形排列方式下的风压比较

一字形四塔排列模型中，位于中间的2号和3号冷却塔风压较大。

品字形排列中，1号和2号冷却塔的风压较大，并且由于倒三角和正三角排列时，1和2号塔的风压变化较小，因此取倒三角品字形排列中1号塔作为品字形排列中，风压较大的冷却塔 。

2.1 风压曲线比较

将一字形排列中的2号塔和品字形排列中的1号塔的风压分布曲线进行比较。

（a） 高度60m （b） 高度80m

（c） 高度100m （d） 高度120m

（e） 高度140m （f） 高度160m

（g） 高度180m （h） 高度200m

图11 不同高度下，一字形和品字形排列塔身表面的风压曲线比较

2.2 小结

通过比较一字形和品字形排列多塔模型的表面风压曲线，可以看出一字形排列时，分离区的最大负压要大于品字形排列的最大负压。一字形排列的迎风面最大正压，一般小于或等于品字形的最大正压。

一字形和品字形排列时，塔身周围的气流分离点偏差较小。相比较而言，品字形排列中，1号和2号冷却塔之间内侧的气流分离点与一字形排列时的气流分离点偏差稍大小些，略微滞后，主要是受后方的3号的塔的影响。

通过比较风压，一字型形排列的最大负压绝对值更大，因而对冷却塔的强度提出了更高的要求。

3 结论

通过针对不同冷却塔塔群布置形式下的表面风压分布进行了CFD数字风洞模拟，得到了由于塔群结构的不同，引起冷却塔表面风压分布和单塔模型的差异。合理的布置冷却塔之间的间距，能有效降低塔群的狭缝效应影响，增加结构安全性。在塔群结构中，不仅表面风压大小，而且表面气流的分离点以及分布规律等均与单塔模型存在差异，因此基于单塔模型结果的设计和计算工作必须考虑到塔群效应的影响。

参考文献

[1]. 张陈胜. 大型双曲冷却塔风荷载的数值模拟研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2008.

[2]. 刘若斐. 大型冷却塔的抗风研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2006.

[3]. 吕付玉， 杨仕超等. 高层建筑表面风压的数值风洞模拟研究[J]. 中山大学学报（自然科学版）， 2008， 47（s2）： 117-121.

[4]. 李正良， 王承启等. 复杂体型高层建筑风洞试验及数值模拟[J]. 土木建筑与环境工程， 2009， 31（5）： 69-73.

[5]. 刘维瑞. 复杂高层建筑表面风压的数值模拟研究[D]. 济南： 山東建筑大学， 2010.

[6]. 傅小坚. 双塔高层建筑风荷载干扰效应的数值模拟研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2007.

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