大型冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间薄壳结构, 其在强风作用下的安全性历来受到工程界的高度重视^[1,2]。冷却塔内外表面均有风荷载作用, 现行冷却塔设计规范^[3,4]中给出了双曲线冷却塔外表面平均风压分布系数的8项拟合式, 中国规范^[3,4]和德国规范^[5]均仅给出了内压系数的经验取值, 并假定该数值沿高度和环向不变。

　　 此外, 国内外学者针对冷却塔内外表面风荷载进行了相关研究, 其中Goudarzi等^[6]对考虑基础结构的冷却塔风压进行了模拟, 研究了不同湍流模型的影响并将计算结果与德国规范^[5]进行对比, 结果表明在冷却塔位置较低部分的压力分布与德国规范^[5]建议结果不同;Ke等^[7]总结归纳了大型间冷塔百叶窗透风率对内压系数的影响规律, 研究表明内压系数随着透风率的增加而减小;李鹏飞等^[8]采用风洞测压试验方法对冷却塔内外表面的脉动风压进行了同步测量, 给出了冷却塔塔筒内外表面风压极值分布曲线;邹云锋等^[9,10]基于风洞试验和数值模拟方法对特大型冷却塔内表面风荷载进行了研究, 并考虑了挡风层、填料层透风率等参数对内压分布的影响, 研究表明冷却塔内表面风压系数沿环向、高度基本不变。间冷塔采用混合式凝汽器进行工作, 其空间薄壳结构内部是一个具有多结构部件的复杂系统且周边设置密集的百叶窗散热器。现行冷却塔设计规范^[3,4]仅给出了冷却塔塔筒外表面风压分布曲线和内压取值建议, 缺少关于间冷塔展宽平台及百叶窗位置处内外风压的分布及取值建议, 同时已有研究主要针对冷却塔塔筒部分的内外风压分布, 百叶窗及展宽平台作为间冷塔主要组成部分, 由于近地面等三维湍流效应显著, 可能导致分布规律与冷却塔塔筒部分有所差异, 其风压分布及取值对于间冷塔的安全性尤为重要。

　　 鉴于此, 以国内某拟建210m高的超大型双曲线型间冷塔为对象, 采用刚体测压风洞试验对间冷塔内外表面风荷载进行了研究, 并考虑了不同透风率对展宽平台及百叶窗内外压的影响。

　　 某拟建超大型双曲线型间冷塔总高210m, 喉部标高157.5m, 进风口标高32.5m, 塔顶直径115.6m, 喉部直径110m, 底部直径180m, 风筒采用分段等厚, 最小厚度在喉部断面, 壁厚0.37m, 最大厚度在下环梁位置, 壁厚2m, 由52对均匀分布的X形支柱支撑。间冷塔整体结构示意图见图1。

　　 刚性模型测压风洞试验在南京航空航天大学NH-2大气边界层风洞中进行, 试验段尺寸宽3.0m, 高2.5m。间冷塔模型采用亚克力材料制成, 具有足够的强度和刚度, 在试验风速下不会发生变形, 且不会出现明显的振动现象。模型内表面在外形上与实际结构保持几何相似, 考虑到风洞试验段尺寸以及间冷塔的规模, 几何缩尺比为1∶400, 外表面的几何相似由于结构壁厚太薄无法满足, 模型底部由严格几何缩尺的X形支柱支撑, 同时考虑了不同透风率的百叶窗模型。缩尺后的间冷塔模型见图2。

　　 试验针对间冷塔内外表面压力进行研究, 外压试验中, 在塔筒外表面布置12层测点, 在展宽平台及百叶窗各布置1层测点, 每层沿环向等间距布置36个测点, 共计504个测点;内压试验中, 在塔筒内表面布置8层测点, 展宽平台布置1层测点, 每层沿环向等间距布置10个测点, 共计90个测点。冷却塔内外压测点编号及布置如图3所示。

　　 大气边界层模拟风场的调试和测定采用丹麦Streamline热线风速仪, 间冷塔内外表面平均压力与脉动压力测量采用美国DSM3000电子压力扫描阀。信号采样频率为512Hz, 每个测点采样样本总数据为10 240个。

　　 该拟建超大型双曲线型间冷塔所在地区对应B类地貌, 在风洞试验段中模拟了B类地貌风场, 图4为风洞中风场模拟结果, 可以看出风洞试验模拟的平均风速剖面和湍流度剖面与《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 规定的B类风场基本一致。

　　 大型间冷塔原型结构在设计风速下的雷诺数范围为4×10⁸～6×10⁸。由于物理风洞本身的局限性, 难以简单地通过提高试验风速或增大结构模型几何尺寸再现这种高雷诺数下的表面绕流形态。类圆柱结构绕流特性不仅与雷诺数有关, 而且与其表面粗糙度等因素也有密切关系。实践证明, 可通过适当改变模型表面粗糙度近似模拟高雷诺数时的绕流特性, 且已有大量丰富的研究资料可供参考^[11,12]。

　　 采用在间冷塔模型表面粘贴5mm宽粗糙纸带 (沿圆周均匀分布36条竖向通长表面粗糙纸带) 、8mm宽粗糙纸带 (沿圆周均匀分布36条竖向通长表面粗糙纸带) 和调整试验风速 (8～14m/s) 等多种手段进行雷诺数效应模拟。雷诺数效应模拟标准采用规范^[3]推荐的无肋双曲线型冷却塔风压分布曲线 (简称无肋塔曲线) 和加肋双曲线型冷却塔风压分布曲线 (简称加肋塔K1.0曲线) 及对应的阻力系数。当采用2～3层厚5mm宽粗糙纸带间隔分布+10m/s风速时, 间冷塔模型在B类流场中的雷诺数效应模拟无肋塔曲线效果最好;采用5层厚5mm宽粗糙纸带+10m/s风速时, 间冷塔模型在B类流场中的雷诺数效应模拟加肋塔K1.0曲线效果最好。

　　 图5给出了以两种不同风压为模拟标准得到的风压分布曲线, 表1给出了不同风压模拟下整体阻力系数特征值, 阻力系数极值计算中峰值因子取为2.5^[13]。由图5及表1可知, 两种塔型冷却塔喉部断面风压分布结果与对应规范曲线分布规律和数值基本一致。

　　 图6给出了不同风压模拟标准下间冷塔典型断面 (喉部断面、展宽平台及百叶窗) 的外表面风压分布曲线。由图6可知, 当来流作用于展宽平台位置时, 将有部分来流直接撞击展宽平台, 另一部分沿展宽平台附着流动至塔筒迎风面;由于近地面三维湍流效应以及百叶窗的开启效应, 来流作用于百叶窗时, 将有部分进入塔内, 展宽平台及百叶窗外压沿环向的分布与喉部断面外压分布出现显著差异, 尤其以百叶窗外压分布的差异更加显著。

　　 两种风压模拟标准下展宽平台及百叶窗的负压极值点对应角度与喉部断面相比向背风面移动, 对应角度在80°左右;模拟无肋塔曲线时展宽平台及百叶窗的负压极值也较喉部断面小, 展宽平台处为-1.14, 百叶窗处为-0.76;模拟加肋塔K1.0曲线时展宽平台处为-0.99, 百叶窗处为-1.08。比较压力系数分离点和背风面压力分布, 展宽平台较喉部断面分离点对应角度稍向背风面移动, 展宽平台背风面压力未完全均匀分布而呈凹形, 尤其以180°位置附近压力系数绝对值增加, 即负压减小, 而百叶窗外压分布未出现明显的压力分离点, 呈抛物线的分布形式。

　　 为研究展宽平台及百叶窗位置外表面风压分布规律, 基于非线性最小二乘法原理^[14,15]拟合得到无肋塔曲线和加肋塔K1.0曲线的展宽平台及百叶窗外压分布的10项拟合式, 拟合系数和拟合公式为:

　　 $C{}_{\text{Ρ}}=a{}_0+{\displaystyle \sum _{i=1}^{9}a}{}_i\cos (i\times \theta )(1)$

　　 式中:θ为测点与正迎风面的夹角 (弧度值) ;a₀, a_i为待拟合系数, 如表2所示;图7和图8分别给出了无肋塔和加肋塔的拟合曲线。

　　 由图7, 8及表2分析可知:1) 百叶窗的压力分布特征和间冷塔上部压力分布特征存在较大差异, 尤其是背风区压力不均匀分布, 这种压力分布特点和近地面的三维湍流有关;2) 展宽平台的压力分布特征不同于间冷塔塔筒外表面分布特征, 在背风区存在一段明显的负压增强区;3) 展宽平台及百叶窗位置负压极值点对应的角度相较于塔筒部位对应角度向背风面移动10°左右, 百叶窗负压极值数值均在-1.0左右, 而展宽平台处负压极值的数值随着冷却塔外表面的肋条分布而改变, 其在无肋塔曲线下负压极值减小至-1.15, 在加肋塔K1.0曲线下负压极值未出现明显变化, 略小于-1.0;4) 间冷塔塔筒外表面的肋条分布对百叶窗背风面风压分布产生一定影响, 无肋塔背风面负压绝对值由负压极值点至绝对值最小值位置减小约为0.7, 而加肋塔减小幅度为0.5, 肋条减小了背风面负压减小幅度。

　　 为研究风洞试验中不同来流风速对间冷塔内压分布的影响, 选择运营状态即按30%透风率考虑百叶窗的开启效应。来流风速分别设定为4, 6, 8, 10, 12m/s, 对比间冷塔各层高度的内表面风压沿环向分布特征。图9给出了不同风速下间冷塔典型断面内压系数分布曲线。由图9可知:1) 塔筒内压沿环向基本呈均匀分布, 不同风速对内压的影响较小且分布规律一致, 随着风速的增加内压系数绝对值略微增大;2) 由于部分来流透过百叶窗进入塔筒内部并产生撞击及向上爬升, 在展宽平台处出现了阻碍以及颈缩, 从而展宽平台与塔筒喉部断面内压系数分布规律出现显著差异, 沿环向非均匀分布且出现迎风面负压大, 背风面负压小的分布状态, 不同风速下沿环向分布规律出现差异;3) 不同风速下塔筒部分内压系数分布范围在-0.5～-0.3之间, 展宽平台较塔筒部位内压系数绝对值大, 其迎风面负压最大达到-0.75, 背风面负压最小达到-0.46。

　　 图10给出了不同透风率下间冷塔内压系数分布曲线。由图10可知:1) 百叶窗对间冷塔内压分布影响显著, 随着透风率的增加内压系数绝对值减小, 当透风率为100%时, 内压系数绝对值出现增加的现象;2) 内压系数绝对值随着高度的增加逐渐减小, 当透风率为0%, 15%和30%时, 内压系数沿高度分布规律基本一致, 当透风率为100%时, 由于百叶窗完全开启, 进风口以下仅有支柱的遮挡作用, 使得内压分布完全不同, 此时内压系数绝对值沿高度减小迅速;3) 展宽平台处背风面受透风率的影响较迎风面显著, 透风率为0%时, 展宽平台的内压沿环向分布较均匀, 随着透风率的增加, 内压绝对值减小, 同时从塔底迎风面进来的气流撞击尾流区内壁, 使得塔筒底端的风压明显增大。

　　 以国内某拟建的210m高超大型双曲线型间冷塔为对象, 采用刚体测压风洞试验对间冷塔内外表面风荷载进行了研究, 并考虑了不同风速和透风率对展宽平台及百叶窗内外压的影响。主要结论如下:

　　 (1) 百叶窗外表面压力分布和塔筒压力分布特征存在显著差异, 尤其以背风区的压力不均匀分布为主, 这种压力分布特点和近地面的三维湍流有关;展宽平台外表面压力分布类似于塔筒外表面风压分布特征, 差别在于背风区存在一段明显的负压增强区。

　　 (2) 展宽平台内压分布与塔筒内压差异显著。塔筒内压沿环向基本呈均匀分布;展宽平台在运营状态下 (按30%透风率考虑百叶窗开启效应) 内压分布范围在-0.5～-0.3之间, 沿环向呈不均匀分布, 以迎风面负压绝对值大, 背风面负压绝对值小, 迎风面负压绝对值最大达到-0.75。

　　 (3) 不同透风率下间冷塔塔筒内压沿环向分布趋势基本一致, 内压绝对值以透风率为0%时最大, 并随透风率的增大略有减小, 当透风率为100%时, 内压绝对值出现增加现象, 展宽平台内压分布受透风率影响较大, 随着透风率的增加, 内压绝对值减小。

　　 (4) 在百叶窗风荷载设计时, 最值得注意的是负压最大值, 基于风洞试验结果, 建议运营状态下 (按30%透风率考虑百叶窗开启效应) 百叶窗外表面负压系数可取-1.1, 展宽平台外表面负压系数可取-1.15。

　　 (5) 间冷塔展宽平台及百叶窗外压分布与塔筒外压分布显著不同, 基于非线性最小二乘法原理, 首次提出了对无肋塔曲线和有肋塔K1.0曲线冷却塔外表面风压的10项拟合公式, 可为此类间冷塔展宽平台及百叶窗外表面风压取值提供计算依据。