直筒‑锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置与流程

本发明涉及冷却塔防护技术领域，尤其涉及一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置。

背景技术：

超大型冷却塔是采用二次循环冷却系统的火/核电站中关键的构筑物。根据行业内的现有认知，1000MW级别火/核电站的冷却塔，塔高一般需要达到180m以上。现有技术中仅给出了一条一维风压拟合曲线，这与大型冷却塔结构表面风压二维分布的特点相悖。超大型冷却塔是火/核电站单体几何体量最大的构筑物之一。因此超大型冷却塔的结构安全性对整个火/核电站的安全具有至关重要的影响。

钢结构冷却塔作为一种新颖的冷却塔形式，具有施工快、可回收且不受冬季温度限制等优点，钢结构冷却塔出于施工组装方便和塔内冷却工艺的考量，更多的采用直筒-锥段的外形设置。

作用在冷却塔上的风荷载总是随时空变化的，在对建筑结构进行抗风设计时，常常需要关注局部风压。目前，可以用极值风压验算结构的抗风安全性。

超大直筒-锥段型钢结构冷却塔作为一种新颖的典型风敏感结构，与传统的双曲线型钢筋混凝土冷却塔相比，这类结构典型的三维绕流特性，使得其表面风荷载的脉动随机特性和风振作用非常复杂，且没有任何工程经验可以借鉴，设计参数选取不当可能会引起结构的风灾破坏。因此，对超大直筒-锥段型钢结构冷却塔进行表面风压极值研究成为此类冷却塔抗风设计亟待解决的问题。

现有技术中对于大型冷却塔风压取值的规定均局限于传统双曲线型钢筋混凝土冷却塔，这样的取值方式主要存在以下两点不足：1)冷却塔气动外形的不同导致其表面风荷载脉动随机特性和三维分布相对于传统双曲线型钢筋混凝土冷却塔而言差异明显；2)超大直筒-锥段型钢结构冷却塔主要由内部的格构式钢框架支撑和外表面的围护层两部分组成，其外部围护层受外表面风吸力影响严重，现有技术中并未考虑这一问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，能够根据直筒-锥段型钢结构冷却塔的实际构造特点，确定出准确的风压极值。

为实现上述目的，本发明提供了一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法，所述方法包括：预先建立所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的三维足尺模型，所述三维足尺模型表面分布有预设数量的测点；根据所述三维足尺模型，建立包含所述三维足尺模型的流体域并对所述流体域进行网格划分；对经过网格划分的流体域进行边界条件设置，并对所述三维足尺模型进行表面风荷载模拟，得到模拟计算结果；根据所述模拟计算结果，确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数，并基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数；将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数；根据所述直筒-锥段型钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述冷却塔对应的阵风系数；根据所述局部体型系数以及所述阵风系数，确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值。

进一步地，根据所述三维足尺模型，建立包含所述三维足尺模型的流体域具体包括：根据所述三维足尺模型的塔高和塔底部直径，确定待建立的流体域的长、宽、高；确定所述待建立的流体域的入口和出口与所述三维足尺模型的相对位置；根据确定的所述长、宽、高以及所述相对位置，建立包含所述三维足尺模型的流体域。

进一步地，对经过网格划分的流体域进行边界条件设置具体包括：所述流体域的入口设置为速度入口边界条件；所述流体域的出口设置为压力出口边界条件；所述流体域的顶部和侧面设置为等效于自由滑移壁面的对称边界条件；所述流体域的地面以及建筑物表面设置为无滑移壁面边界条件。

进一步地，所述模拟计算结果包括所述三维足尺模型表面上各个测点处的压力、所述三维足尺模型在参考高度处的总压力和静压力；相应地，按照下述公式确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数：

$C_{Pi}=\frac{P_i-P_{\mathrm{\∞}}}{P_0-P_{\mathrm{\∞}}}$

其中，C_Pi表示第i个测点对应的压力系数，P_i为第i个测点处的压力，P₀表示所述参考高度处的总压力，P_∞表示所述参考高度处的静压力。

进一步地，按照下述公式基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=\frac{C_{p_i}}{{(z_i/h)}^{2\mathrm{\α}}}$

其中，μ_si表示第i个测点的体型系数，z_i表示第i个测点所处的高度，h表示预设参考点的高度，α表示地貌粗糙度指数。

进一步地，按照下述公式将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示所述局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

进一步地，按照下述公式确定所述冷却塔对应的阵风系数：

${\mathrm{\β}}_{gz}=1+2{\mathrm{gI}}_{10}{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{-\mathrm{\α}}$

其中，β_gz表示所述阵风系数，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度处的名义湍流度，Z_i表示第i个测点所处的高度，α表示地貌粗糙度指数。

进一步地，按照下述公式确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示所述风压极值，μ_z表示风压高度变化系数，μ_sl表示局部体型系数，β_gz表示阵风系数，w₀表示当地基本风压。

为实现上述目的，本发明还提供一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定装置，所述装置包括：三维足尺模型建立单元，用于预先建立所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的三维足尺模型，所述三维足尺模型表面分布有预设数量的测点；流体域建立单元，用于根据所述三维足尺模型，建立包含所述三维足尺模型的流体域并对所述流体域进行网格划分；表面风荷载模拟单元，用于对经过网格划分的流体域进行边界条件设置，并对所述三维足尺模型进行表面风荷载模拟，得到模拟计算结果；测点体型系数确定单元，用于根据所述模拟计算结果，确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数，并基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数；局部体型系数转换单元，用于将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数；阵风系数确定单元，用于根据所述直筒-锥段型钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述冷却塔对应的阵风系数；风压极值确定单元，用于根据所述局部体型系数以及所述阵风系数，确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值。

进一步地，所述流体域建立单元具体包括：尺寸确定模块，用于根据所述三维足尺模型的塔高和塔底部直径，确定待建立的流体域的长、宽、高；相对位置确定模块，用于确定所述待建立的流体域的入口和出口与所述三维足尺模型的相对位置；建立模块，用于根据确定的所述长、宽、高以及所述相对位置，建立包含所述三维足尺模型的流体域。

附图说明

图1为本发明中一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法的流程图；

图2为本发明中直筒-锥段型钢结构冷却塔的结构示意图；

图3为本发明中流体域的示意图；

图4为本发明中测点体型系数的分布示意图；

图5为本发明中局部体型系数的分布示意图；

图6为本发明中风压极值的二维分布示意图；

图7为本发明中一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定装置的功能模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本发明中一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法的流程图。如图1所示，所述方法可以包括以下步骤。

步骤S1：预先建立所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的三维足尺模型，所述三维足尺模型表面分布有预设数量的测点。

在本实施方式中，可以根据超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的工艺尺寸，预先建立超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的三维几何模型，其中，所述工艺尺寸可以包括冷却塔的塔底直径、出风口直径、进风口直径、锥段顶部标高、塔高和进风口高度等。具体地，所述三维几何模型可以是三维足尺模型，从而可以解决此类大尺寸建筑物雷诺数效应模拟的问题。

在本实施方式中，所述三维足尺模型的塔高可以用H表示，具体地，所述塔高可以为189米；所述三维足尺模型的塔底部直径可以用D表示，具体地，所述塔底部直径可以为144.5米。所述三维足尺模型可以按30％的透风率来开率百叶窗开启效应。

在本实施方式中，可以在所述三维足尺模型的表面布设预设数量的测点，从而可以全面地对三维足尺模型的表面风压进行测量。请参阅图2，图2中在三维足尺模型的表面凸起的点便可以是所述测点。

步骤S2：根据所述三维足尺模型，建立包含所述三维足尺模型的流体域并对所述流体域进行网格划分。

在本实施方式中，为保证冷却塔尾流得到充分发展，可以根据建筑计算风工程中绕流数值模拟的基本原则得到的相应数值来建立流体域并对所述流体域进行网格划分。具体地，可以根据所述三维足尺模型的塔高H和塔底部直径D，确定待建立的流体域的长为24D，宽为15D，高为4H。所述三维足尺模型可以包含于所述流体域中，具体地，可以确定所述待建立的流体域的入口和出口与所述三维足尺模型的相对位置。在本实施方式中，所述流体域的入口与所述三维足尺模型的距离可以是7D，所述流体域的出口与所述三维足尺模型的距离可以是17D。这样，根据确定的所述长、宽、高以及所述相对位置，便可以建立包含所述三维足尺模型的流体域。请参阅图3，建立的所述流体域的外形可以是立方体，所述流体域可以分为外围区域和局部加密区域，其中，所述外围区域的形状比较规整，可以用结构化网格对其进行划分；而所述局部加密区域由于包含三维足尺模型，因此呈现不太规整的形状，可以采用非结构化网格进行划分，从而能够适应三维足尺模型表面复杂的外形。

步骤S3：对经过网格划分的流体域进行边界条件设置，并对所述三维足尺模型进行表面风荷载模拟，得到模拟计算结果。

在本实施方式中，在对所述三维足尺模型进行处理之前，需要对经过网格划分的流体域进行边界条件设置。具体地，所述流体域的入口可以设置为速度入口(Velocity-Inlet)边界条件，并且可以按照B类地貌风剖面进行设置。所述流体域的出口可以设置为压力出口(Pressure-Outlet)边界条件，相对压力可以设为0。所述流体域的顶部和侧面可以设置为等效于自由滑移壁面的对称边界条件(Symmetry)。所述流体域的地面以及建筑物表面设置为无滑移壁面边界条件(Wall)，空气风场可以设为不可压缩流场。

在设置了边界条件之后，便可以对所述三维足尺模型进行表面风荷载模拟，从而得到模拟计算结果。在本实施方式中，所述模拟计算结果可以包括所述三维足尺模型表面上各个测点处的压力、所述三维足尺模型在参考高度处的总压力和静压力。具体地，可以采用大涡模拟(LES)方法进行表面风荷载模拟计算，LES计算的时间步长可以取为0.5s，计算时间步数可以设置为8192。其中，亚格子模型可以采用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型，该模型可以利用Germano恒等式，并且允许亚格子涡粘模型中的系数随时间和空间变化，从而能够给出壁面上正确的流速渐进关系，该流速渐进关系适用于有壁面存在的建筑绕流场。

在本实施方式中，可以同时采用SIMPLEC方法进行离散方程组的求解，该方法收敛性好且适合时间步长较小的大涡模拟计算。在计算过程中可以设置网格倾斜校正，以提高混合网格的计算效果。在本实施方式中，在进行非定常计算之前可以先进行RANS的定常计算，通过瞬态化处理使LES初始流场达到具有合理统计特征的状态。

步骤S4：根据所述模拟计算结果，确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数，并基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数。

在本实施方式中，在得到所述模拟计算结果之后，便可以根据所述模拟计算结果，确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数。具体地，可以按照下述公式确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数：

$C_{Pi}=\frac{P_i-P_{\mathrm{\∞}}}{P_0-P_{\mathrm{\∞}}}$

其中，C_Pi表示第i个测点对应的压力系数，P_i为第i个测点处的压力，P₀表示所述参考高度处的总压力，P_∞表示所述参考高度处的静压力。

在得到所述压力系数之后，可以基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数。具体地，可以按照下述公式基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数：

${\mathrm{\μ}}_{si}=\frac{C_{p_i}}{{(z_i/h)}^{2\mathrm{\α}}}$

其中，μ_si表示第i个测点的体型系数，z_i表示第i个测点所处的高度，h表示预设参考点的高度，α表示地貌粗糙度指数，A、B、C、D类地貌对应的α分别可以取0.12、0.15、0.22和0.30。在本实施方式中，所述三维足尺模型表面上处于不同层的测点对应的测点体型系数可以如图4所示。从图4中可以看出，所述三维足尺模型被分为了16层，每一层的测点可以通过环向角度来表示。

步骤S5：将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数。

在本实施方式中，由于超大直筒-锥段型钢结构冷却塔属于一种新型的围护结构，可以按围护结构定义将测点体型系数转换成局部体型系数。具体地，可以按照下述公式将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示所述局部体型系数，μ_si表示第i个测点的体型系数。

本实施方式中，所述三维足尺模型表面上各个测点对应的局部体型系数可以如图5所示，从图5中可以看出，所述三维足尺模型被分为了16层，每一层的测点可以通过环向角度来表示。

步骤S6：根据所述直筒-锥段型钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述冷却塔对应的阵风系数。

在本实施方式中，在对所述直筒-锥段型钢结构冷却塔表面的风压极值进行确定之前，需要根据所述直筒-锥段型钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述冷却塔对应的阵风系数。具体地，可以按照下述公式确定所述冷却塔对应的阵风系数：

${\mathrm{\β}}_{gz}=1+2{\mathrm{gI}}_{10}{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{-\mathrm{\α}}$

其中，β_gz表示所述阵风系数，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度处的名义湍流度，Z_i表示第i个测点所处的高度，α表示地貌粗糙度指数。在实际应用场景中，峰值因子的取值可以为2.5，所述直筒-锥段型钢结构冷却塔位于B类地貌，I₁₀可以取0.14，α可以为0.15。

步骤S7：根据所述局部体型系数以及所述阵风系数，确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值。

在得到所述局部体型系数以及所述阵风系数之后，便可以确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值。具体地，在本实施方式中可以按照下述公式确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示所述风压极值，μ_z表示风压高度变化系数，μ_sl表示局部体型系数，β_gz表示阵风系数，w₀表示当地基本风压。其中，所述风压高度变化系数可以通过下式确定：

${\mathrm{\μ}}_z=1.000{\left(\frac{z_i}{10}\right)}^{0.30}$

其中，Z_i表示第i个测点所处的高度。

在本实施方式中，所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值的二维分布可以如图6所示。从图6中可以看出，所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值分别与环向角度和测点层相关。

在得到所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值之后，便可以根据所述风压极值，对所述直筒-锥段型钢结构冷却塔进行防护。

请参阅图7，本发明还提供一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定装置。如图7所示，所述装置包括：

三维足尺模型建立单元100，用于预先建立所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的三维足尺模型，所述三维足尺模型表面分布有预设数量的测点；

流体域建立单元200，用于根据所述三维足尺模型，建立包含所述三维足尺模型的流体域并对所述流体域进行网格划分；

表面风荷载模拟单元300，用于对经过网格划分的流体域进行边界条件设置，并对所述三维足尺模型进行表面风荷载模拟，得到模拟计算结果；

测点体型系数确定单元400，用于根据所述模拟计算结果，确定所述三维足尺模型表面各个测点的压力系数，并基于各个测点的压力系数换算得到各个测点的体型系数；

局部体型系数转换单元500，用于将所述各个测点的体型系数转换为局部体型系数；

阵风系数确定单元600，用于根据所述直筒-锥段型钢结构冷却塔所处的地貌条件，确定所述冷却塔对应的阵风系数；

风压极值确定单元700，用于根据所述局部体型系数以及所述阵风系数，确定所述直筒-锥段型钢结构冷却塔的风压极值。

在本申请一个优选实施方式中，所述流体域建立单元200具体包括：

尺寸确定模块，用于根据所述三维足尺模型的塔高和塔底部直径，确定待建立的流体域的长、宽、高；

相对位置确定模块，用于确定所述待建立的流体域的入口和出口与所述三维足尺模型的相对位置；

建立模块，用于根据确定的所述长、宽、高以及所述相对位置，建立包含所述三维足尺模型的流体域。

需要说明的是，上述各个功能模块的具体实现方式以及计算公式均与步骤S1至S7中的描述一致，这里便不再赘述。

本发明提供的一种直筒-锥段型钢结构冷却塔风压极值的确定方法及装置，主要有以下有益效果：

1)采用该方法比物理模型试验有效且节省试验费用，并能有效解决物理模型试验表面测点数不足的问题；

2)超大直筒-锥段型钢结构冷却塔作为一种新型的冷却塔形式，通过该方法可以有效模拟这类结构典型的三维绕流特性，获得科学、详实的表面风荷载取值；

3)超大直筒-锥段型钢结构冷却塔主要由内部的格构式钢框架支撑和外表面的围护层两部分组成，其外部围护层受外表面风吸力影响严重，本发明方法首次提出了此类冷却塔结构需要按照围护结构考虑其风压极值的计算问题，给出极值风压体型系数供设计参考。

本发明的计算方法以完备的理论模型和数值模型为基础，与实际情况相符，在实际工程中容易操作，可指导并优化超大直筒-锥段型钢结构冷却塔的抗风设计，对此类冷却塔的工程安全性和施工造价具有决定性的意义。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。