大型双曲冷却塔风荷载的数值模拟研究

摘要

大型风筒式冷却塔是一种双曲线型的钢筋混凝土薄壁结构，通常在电厂中用作水冷却设备。由于冷却塔体型庞大，形状复杂，壁厚很薄，风荷载成为其主要的控制荷载。全面掌握这类结构的风压分布规律以及研究双塔三塔之间的相互气流干扰，以便提出有效的抗风措施是非常必要的。 本文采用数值模拟方法探讨冷却塔单体内外表面风压及自循环内压的分布特性，双塔三塔之间的相互气流干扰效应和不同粗糙条件下的冷却塔圆形截面的绕流特性。首先分析了以平均Navier-Stokes方程和k-￡湍流模型为基础的湍流流动基本方程及数值离散与求解方法，然后对单个冷却塔模型进行实例计算，将计算结果与规范结果作比较，以验证数值模拟的正确性和有效性；在此基础上通过对固定塔间距下的不同风向角下冷却塔平均风压的计算，分析双塔和三塔之间的干扰作用，最后研究不同粗糙度对圆形截面绕流特性的影响和自循环内压的分布形态；通过对塔间距、不同风向角的阻力系数和平均风压的分析，发现双塔固定塔间距下，风向角为0。时最不利；双塔左右排列塔间距小于1.5时，狭道效应极其显著，应给予高度重视；双塔前后排列时，随着塔间距的增加前塔对后塔的阻挡效应分为三个阶段，当塔间距大于5.0后阻挡效应趋于消失；通过对改变粗糙条数，粗糙条宽度和长度，研究对圆形截面绕流特性的影响；通过建立冷却塔多相流自循环模型计算后，发现自循环内压相对于外风场引起的内压而言是可以忽略的；以上研究对建立合理的工程实用方法以及编制相关规范等均具一定的参考意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2双曲冷却塔简介

1.3近地面风的特性

1.3.1大气边界层与平均风剖面

1.3.2湍流强度分布的描述

1.4冷却塔风荷载研究现状

1.4.1冷却塔表面风压的现场实测

1.4.2冷却塔风荷载的风洞试验

1.4.3规范对冷却塔风荷载的规定

1.5本文的研究概况

第二章CFD基本原理

2.1 CFD方法简介

2.1.1数值方法的发展概况

2.1.2 CFD方法的工程中应用

2.2风荷载数值模拟的基本方法和理论

2.3描述空气绕钝体流动的基本方程

2.3.1运动方程和连续性方程

2.3.2 Navier-Stokes方程

2.4 N-S方程的求解方法

2.4.1直接数值模拟(DNS)

2.4.2 N—S方程的时均化及模式理论方法

2.5近壁面的处理

2.6模型的评述

2.7计算区域与偏微分方程组的离散

2.7.1计算区域的离散—有限体积法简介

2.7.2偏微分方程组的离散

2.7.3代数方程组求解中的困难与解决方法

第三章单个冷却塔风荷载的数值模拟

3.1单个冷却塔模型的建立和参数的设置

3.2单个冷却塔外表面风荷载的计算结果

3.2.1单个冷却塔的流场和风压分布

3.2.2单个冷却塔外表面风压系数数据及讨论

3.3单个冷却塔内壁风荷载

3.3.1B类地貌下内壁风荷载分析

3.3.2不同均匀风场下内壁风荷载分析

3.4本章小结

第四章双塔情况下冷却塔风荷载的数值模拟

4.1双塔情况下冷却塔模型的建立和参数的设置

4.2固定塔间距下双塔流场及风荷载的计算结果

4.2.1双塔流场的分布

4.2.2双塔风压的分布

4.2.3固定塔间距下双塔风压分布形态

4.2.4固定塔间距下双塔的阻力系数

4.3双塔变间距下冷却塔表面风荷载的计算结果

4.3.1双塔β 0°风向(并行排列)的风荷载

4.3.2双塔β=90°风向(前后排列)的风荷载

4.4本章小结

第五章三塔情况下冷却塔风荷载的数值模拟

5.1三塔情况下冷却塔模型的建立和参数的设置

5.2三塔流场及风荷载的计算结果

5.2.1三塔情形下N/D=1.5，L/D=1.31(等边三角形布置)时的流场分布

5.2.2三塔情形下N/D=1.5，L/D=1.31(等边三角形布置)时的风压分布

5.2.3三塔情形下固定N/D=1.5，变化L/D时的风压分布形态

5.2.4三塔情形下固定N/D=1.5，变化L/D时的风压系数比较

5.2.5三塔情形下变化N/D，固定L/D=1.31时的风压分布形态

5.2.6三塔情形下变化N/D，固定L/D=1.31时的风压系数比较

5.2.7三塔情形下塔三阻力系数的研究

5.3本章小结

第六章冷却塔圆形截面不同粗糙度下绕流特性的数值模拟

6.1圆形截面模型的建立和参数设置

6.2圆形截面流场及风荷载的计算结果

6.2.1光滑时与n=36，k=d=0.1时的流场对比

6.2.2光滑时与n=36，k=d=0.1时的压力系数对比

6.3二维圆形截面在粗糙条数n固定情形下的阻力系数

6.3.1二维圆形截面在n=36情形下的阻力系数

6.3.2二维圆形截面在n=45情形下的阻力系数

6.3.3二维圆形截面在n=60情形下的阻力系数

6.3.4二维圆形截面在n=90情形下的阻力系数

6.4二维圆形截面在粗糙条宽度d固定情形下的阻力系数

6.5本章小结

第七章自循环下冷却塔内压的多相流模拟

7.1多相流模型简介

7.2 Wet steam模型的基本方程

7.2.1 Wet steam流方程

7.2.2相变模型

7.2.3嵌入的热动力学Wet steam属性

7.3多孔介质边界条件

7.3.1多孔介质的动量方程

7.3.2多孔介质中的达西定律

7.3.3多孔介质中的惯性损失

7.3.4多孔介质中的能量方程

7.4冷却塔自循环模型的建立和参数的设置

7.5多相流自循环模型计算结果

7.5.1多相流自循环模型的流场分布

7.5.1多相流自循环模型的风荷载计算结果分析

7.6本章小结

第八章结论与展望

8.1主要工作及结论

8.2本文的不足与改进

参考文献

致谢