本發(fā)明涉及冷卻塔防護技術領域，尤其涉及一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法及裝置。

背景技術：

超大型冷卻塔是采用二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)的火/核電站中關鍵的構筑物。根據(jù)行業(yè)內(nèi)的現(xiàn)有認知，1000MW級別火/核電站的冷卻塔，塔高一般需要達到180m以上?，F(xiàn)有技術中僅給出了一條一維風壓擬合曲線，這與大型冷卻塔結構表面風壓二維分布的特點相悖。超大型冷卻塔是火/核電站單體幾何體量最大的構筑物之一。因此超大型冷卻塔的結構安全性對整個火/核電站的安全具有至關重要的影響。

鋼結構冷卻塔作為一種新穎的冷卻塔形式，具有施工快、可回收且不受冬季溫度限制等優(yōu)點，鋼結構冷卻塔出于施工組裝方便和塔內(nèi)冷卻工藝的考量，更多的采用直筒-錐段的外形設置。

作用在冷卻塔上的風荷載總是隨時空變化的，在對建筑結構進行抗風設計時，常常需要關注局部風壓。目前，可以用極值風壓驗算結構的抗風安全性。

超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔作為一種新穎的典型風敏感結構，與傳統(tǒng)的雙曲線型鋼筋混凝土冷卻塔相比，這類結構典型的三維繞流特性，使得其表面風荷載的脈動隨機特性和風振作用非常復雜，且沒有任何工程經(jīng)驗可以借鑒，設計參數(shù)選取不當可能會引起結構的風災破壞。因此，對超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔進行表面風壓極值研究成為此類冷卻塔抗風設計亟待解決的問題。

現(xiàn)有技術中對于大型冷卻塔風壓取值的規(guī)定均局限于傳統(tǒng)雙曲線型鋼筋混凝土冷卻塔，這樣的取值方式主要存在以下兩點不足：1)冷卻塔氣動外形的不同導致其表面風荷載脈動隨機特性和三維分布相對于傳統(tǒng)雙曲線型鋼筋混凝土冷卻塔而言差異明顯；2)超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔主要由內(nèi)部的格構式鋼框架支撐和外表面的圍護層兩部分組成，其外部圍護層受外表面風吸力影響嚴重，現(xiàn)有技術中并未考慮這一問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法及裝置，能夠根據(jù)直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的實際構造特點，確定出準確的風壓極值。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法，所述方法包括：預先建立所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的三維足尺模型，所述三維足尺模型表面分布有預設數(shù)量的測點；根據(jù)所述三維足尺模型，建立包含所述三維足尺模型的流體域并對所述流體域進行網(wǎng)格劃分；對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置，并對所述三維足尺模型進行表面風荷載模擬，得到模擬計算結果；根據(jù)所述模擬計算結果，確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)，并基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)；將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)；根據(jù)所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔所處的地貌條件，確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)；根據(jù)所述局部體型系數(shù)以及所述陣風系數(shù)，確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值。

進一步地，根據(jù)所述三維足尺模型，建立包含所述三維足尺模型的流體域具體包括：根據(jù)所述三維足尺模型的塔高和塔底部直徑，確定待建立的流體域的長、寬、高；確定所述待建立的流體域的入口和出口與所述三維足尺模型的相對位置；根據(jù)確定的所述長、寬、高以及所述相對位置，建立包含所述三維足尺模型的流體域。

進一步地，對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置具體包括：所述流體域的入口設置為速度入口邊界條件；所述流體域的出口設置為壓力出口邊界條件；所述流體域的頂部和側面設置為等效于自由滑移壁面的對稱邊界條件；所述流體域的地面以及建筑物表面設置為無滑移壁面邊界條件。

進一步地，所述模擬計算結果包括所述三維足尺模型表面上各個測點處的壓力、所述三維足尺模型在參考高度處的總壓力和靜壓力；相應地，按照下述公式確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)：

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

其中，C_Pi表示第i個測點對應的壓力系數(shù)，P_i為第i個測點處的壓力，P₀表示所述參考高度處的總壓力，P_∞表示所述參考高度處的靜壓力。

進一步地，按照下述公式基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)：

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

其中，μ_si表示第i個測點的體型系數(shù)，z_i表示第i個測點所處的高度，h表示預設參考點的高度，α表示地貌粗糙度指數(shù)。

進一步地，按照下述公式將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示所述局部體型系數(shù)，μ_si表示第i個測點的體型系數(shù)。

進一步地，按照下述公式確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)：

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

其中，β_gz表示所述陣風系數(shù)，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度處的名義湍流度，Z_i表示第i個測點所處的高度，α表示地貌粗糙度指數(shù)。

進一步地，按照下述公式確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示所述風壓極值，μ_z表示風壓高度變化系數(shù)，μ_sl表示局部體型系數(shù)，β_gz表示陣風系數(shù)，w₀表示當?shù)鼗撅L壓。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定裝置，所述裝置包括：三維足尺模型建立單元，用于預先建立所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的三維足尺模型，所述三維足尺模型表面分布有預設數(shù)量的測點；流體域建立單元，用于根據(jù)所述三維足尺模型，建立包含所述三維足尺模型的流體域并對所述流體域進行網(wǎng)格劃分；表面風荷載模擬單元，用于對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置，并對所述三維足尺模型進行表面風荷載模擬，得到模擬計算結果；測點體型系數(shù)確定單元，用于根據(jù)所述模擬計算結果，確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)，并基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)；局部體型系數(shù)轉換單元，用于將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)；陣風系數(shù)確定單元，用于根據(jù)所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔所處的地貌條件，確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)；風壓極值確定單元，用于根據(jù)所述局部體型系數(shù)以及所述陣風系數(shù)，確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值。

進一步地，所述流體域建立單元具體包括：尺寸確定模塊，用于根據(jù)所述三維足尺模型的塔高和塔底部直徑，確定待建立的流體域的長、寬、高；相對位置確定模塊，用于確定所述待建立的流體域的入口和出口與所述三維足尺模型的相對位置；建立模塊，用于根據(jù)確定的所述長、寬、高以及所述相對位置，建立包含所述三維足尺模型的流體域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中流體域的示意圖；

圖4為本發(fā)明中測點體型系數(shù)的分布示意圖；

圖5為本發(fā)明中局部體型系數(shù)的分布示意圖；

圖6為本發(fā)明中風壓極值的二維分布示意圖；

圖7為本發(fā)明中一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定裝置的功能模塊圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施方式中的附圖，對本申請實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本申請一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒旧暾堉械膶嵤┓绞?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施方式，都應當屬于本申請保護的范圍。

圖1為本發(fā)明中一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法的流程圖。如圖1所示，所述方法可以包括以下步驟。

步驟S1：預先建立所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的三維足尺模型，所述三維足尺模型表面分布有預設數(shù)量的測點。

在本實施方式中，可以根據(jù)超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的工藝尺寸，預先建立超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的三維幾何模型，其中，所述工藝尺寸可以包括冷卻塔的塔底直徑、出風口直徑、進風口直徑、錐段頂部標高、塔高和進風口高度等。具體地，所述三維幾何模型可以是三維足尺模型，從而可以解決此類大尺寸建筑物雷諾數(shù)效應模擬的問題。

在本實施方式中，所述三維足尺模型的塔高可以用H表示，具體地，所述塔高可以為189米；所述三維足尺模型的塔底部直徑可以用D表示，具體地，所述塔底部直徑可以為144.5米。所述三維足尺模型可以按30％的透風率來開率百葉窗開啟效應。

在本實施方式中，可以在所述三維足尺模型的表面布設預設數(shù)量的測點，從而可以全面地對三維足尺模型的表面風壓進行測量。請參閱圖2，圖2中在三維足尺模型的表面凸起的點便可以是所述測點。

步驟S2：根據(jù)所述三維足尺模型，建立包含所述三維足尺模型的流體域并對所述流體域進行網(wǎng)格劃分。

在本實施方式中，為保證冷卻塔尾流得到充分發(fā)展，可以根據(jù)建筑計算風工程中繞流數(shù)值模擬的基本原則得到的相應數(shù)值來建立流體域并對所述流體域進行網(wǎng)格劃分。具體地，可以根據(jù)所述三維足尺模型的塔高H和塔底部直徑D，確定待建立的流體域的長為24D，寬為15D，高為4H。所述三維足尺模型可以包含于所述流體域中，具體地，可以確定所述待建立的流體域的入口和出口與所述三維足尺模型的相對位置。在本實施方式中，所述流體域的入口與所述三維足尺模型的距離可以是7D，所述流體域的出口與所述三維足尺模型的距離可以是17D。這樣，根據(jù)確定的所述長、寬、高以及所述相對位置，便可以建立包含所述三維足尺模型的流體域。請參閱圖3，建立的所述流體域的外形可以是立方體，所述流體域可以分為外圍區(qū)域和局部加密區(qū)域，其中，所述外圍區(qū)域的形狀比較規(guī)整，可以用結構化網(wǎng)格對其進行劃分；而所述局部加密區(qū)域由于包含三維足尺模型，因此呈現(xiàn)不太規(guī)整的形狀，可以采用非結構化網(wǎng)格進行劃分，從而能夠適應三維足尺模型表面復雜的外形。

步驟S3：對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置，并對所述三維足尺模型進行表面風荷載模擬，得到模擬計算結果。

在本實施方式中，在對所述三維足尺模型進行處理之前，需要對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置。具體地，所述流體域的入口可以設置為速度入口(Velocity-Inlet)邊界條件，并且可以按照B類地貌風剖面進行設置。所述流體域的出口可以設置為壓力出口(Pressure-Outlet)邊界條件，相對壓力可以設為0。所述流體域的頂部和側面可以設置為等效于自由滑移壁面的對稱邊界條件(Symmetry)。所述流體域的地面以及建筑物表面設置為無滑移壁面邊界條件(Wall)，空氣風場可以設為不可壓縮流場。

在設置了邊界條件之后，便可以對所述三維足尺模型進行表面風荷載模擬，從而得到模擬計算結果。在本實施方式中，所述模擬計算結果可以包括所述三維足尺模型表面上各個測點處的壓力、所述三維足尺模型在參考高度處的總壓力和靜壓力。具體地，可以采用大渦模擬(LES)方法進行表面風荷載模擬計算，LES計算的時間步長可以取為0.5s，計算時間步數(shù)可以設置為8192。其中，亞格子模型可以采用Dynamic Smagorinsky-Lilly模型，該模型可以利用Germano恒等式，并且允許亞格子渦粘模型中的系數(shù)隨時間和空間變化，從而能夠給出壁面上正確的流速漸進關系，該流速漸進關系適用于有壁面存在的建筑繞流場。

在本實施方式中，可以同時采用SIMPLEC方法進行離散方程組的求解，該方法收斂性好且適合時間步長較小的大渦模擬計算。在計算過程中可以設置網(wǎng)格傾斜校正，以提高混合網(wǎng)格的計算效果。在本實施方式中，在進行非定常計算之前可以先進行RANS的定常計算，通過瞬態(tài)化處理使LES初始流場達到具有合理統(tǒng)計特征的狀態(tài)。

步驟S4：根據(jù)所述模擬計算結果，確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)，并基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)。

在本實施方式中，在得到所述模擬計算結果之后，便可以根據(jù)所述模擬計算結果，確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)。具體地，可以按照下述公式確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)：

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

其中，C_Pi表示第i個測點對應的壓力系數(shù)，P_i為第i個測點處的壓力，P₀表示所述參考高度處的總壓力，P_∞表示所述參考高度處的靜壓力。

在得到所述壓力系數(shù)之后，可以基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)。具體地，可以按照下述公式基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)：

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

其中，μ_si表示第i個測點的體型系數(shù)，z_i表示第i個測點所處的高度，h表示預設參考點的高度，α表示地貌粗糙度指數(shù)，A、B、C、D類地貌對應的α分別可以取0.12、0.15、0.22和0.30。在本實施方式中，所述三維足尺模型表面上處于不同層的測點對應的測點體型系數(shù)可以如圖4所示。從圖4中可以看出，所述三維足尺模型被分為了16層，每一層的測點可以通過環(huán)向角度來表示。

步驟S5：將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)。

在本實施方式中，由于超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔屬于一種新型的圍護結構，可以按圍護結構定義將測點體型系數(shù)轉換成局部體型系數(shù)。具體地，可以按照下述公式將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)：

μ_sl＝1.25*μ_si

其中，μ_sl表示所述局部體型系數(shù)，μ_si表示第i個測點的體型系數(shù)。

本實施方式中，所述三維足尺模型表面上各個測點對應的局部體型系數(shù)可以如圖5所示，從圖5中可以看出，所述三維足尺模型被分為了16層，每一層的測點可以通過環(huán)向角度來表示。

步驟S6：根據(jù)所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔所處的地貌條件，確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)。

在本實施方式中，在對所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔表面的風壓極值進行確定之前，需要根據(jù)所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔所處的地貌條件，確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)。具體地，可以按照下述公式確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)：

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

其中，β_gz表示所述陣風系數(shù)，g表示峰值因子，I₁₀表示10米高度處的名義湍流度，Z_i表示第i個測點所處的高度，α表示地貌粗糙度指數(shù)。在實際應用場景中，峰值因子的取值可以為2.5，所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔位于B類地貌，I₁₀可以取0.14，α可以為0.15。

步驟S7：根據(jù)所述局部體型系數(shù)以及所述陣風系數(shù)，確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值。

在得到所述局部體型系數(shù)以及所述陣風系數(shù)之后，便可以確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值。具體地，在本實施方式中可以按照下述公式確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值：

w_kmax＝μ_z*μ_sl*β_gz*w₀

其中，w_kmax表示所述風壓極值，μ_z表示風壓高度變化系數(shù)，μ_sl表示局部體型系數(shù)，β_gz表示陣風系數(shù)，w₀表示當?shù)鼗撅L壓。其中，所述風壓高度變化系數(shù)可以通過下式確定：

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

其中，Z_i表示第i個測點所處的高度。

在本實施方式中，所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值的二維分布可以如圖6所示。從圖6中可以看出，所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值分別與環(huán)向角度和測點層相關。

在得到所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值之后，便可以根據(jù)所述風壓極值，對所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔進行防護。

請參閱圖7，本發(fā)明還提供一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定裝置。如圖7所示，所述裝置包括：

三維足尺模型建立單元100，用于預先建立所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的三維足尺模型，所述三維足尺模型表面分布有預設數(shù)量的測點；

流體域建立單元200，用于根據(jù)所述三維足尺模型，建立包含所述三維足尺模型的流體域并對所述流體域進行網(wǎng)格劃分；

表面風荷載模擬單元300，用于對經(jīng)過網(wǎng)格劃分的流體域進行邊界條件設置，并對所述三維足尺模型進行表面風荷載模擬，得到模擬計算結果；

測點體型系數(shù)確定單元400，用于根據(jù)所述模擬計算結果，確定所述三維足尺模型表面各個測點的壓力系數(shù)，并基于各個測點的壓力系數(shù)換算得到各個測點的體型系數(shù)；

局部體型系數(shù)轉換單元500，用于將所述各個測點的體型系數(shù)轉換為局部體型系數(shù)；

陣風系數(shù)確定單元600，用于根據(jù)所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔所處的地貌條件，確定所述冷卻塔對應的陣風系數(shù)；

風壓極值確定單元700，用于根據(jù)所述局部體型系數(shù)以及所述陣風系數(shù)，確定所述直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的風壓極值。

在本申請一個優(yōu)選實施方式中，所述流體域建立單元200具體包括：

尺寸確定模塊，用于根據(jù)所述三維足尺模型的塔高和塔底部直徑，確定待建立的流體域的長、寬、高；

相對位置確定模塊，用于確定所述待建立的流體域的入口和出口與所述三維足尺模型的相對位置；

建立模塊，用于根據(jù)確定的所述長、寬、高以及所述相對位置，建立包含所述三維足尺模型的流體域。

需要說明的是，上述各個功能模塊的具體實現(xiàn)方式以及計算公式均與步驟S1至S7中的描述一致，這里便不再贅述。

本發(fā)明提供的一種直筒-錐段型鋼結構冷卻塔風壓極值的確定方法及裝置，主要有以下有益效果：

1)采用該方法比物理模型試驗有效且節(jié)省試驗費用，并能有效解決物理模型試驗表面測點數(shù)不足的問題；

2)超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔作為一種新型的冷卻塔形式，通過該方法可以有效模擬這類結構典型的三維繞流特性，獲得科學、詳實的表面風荷載取值；

3)超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔主要由內(nèi)部的格構式鋼框架支撐和外表面的圍護層兩部分組成，其外部圍護層受外表面風吸力影響嚴重，本發(fā)明方法首次提出了此類冷卻塔結構需要按照圍護結構考慮其風壓極值的計算問題，給出極值風壓體型系數(shù)供設計參考。

本發(fā)明的計算方法以完備的理論模型和數(shù)值模型為基礎，與實際情況相符，在實際工程中容易操作，可指導并優(yōu)化超大直筒-錐段型鋼結構冷卻塔的抗風設計，對此類冷卻塔的工程安全性和施工造價具有決定性的意義。

上面對本申請的各種實施方式的描述以描述的目的提供給本領域技術人員。其不旨在是窮舉的、或者不旨在將本發(fā)明限制于單個公開的實施方式。如上所述，本申請的各種替代和變化對于上述技術所屬領域技術人員而言將是顯而易見的。因此，雖然已經(jīng)具體討論了一些另選的實施方式，但是其它實施方式將是顯而易見的，或者本領域技術人員相對容易得出。本申請旨在包括在此已經(jīng)討論過的本發(fā)明的所有替代、修改、和變化，以及落在上述申請的精神和范圍內(nèi)的其它實施方式。

本說明書中的各個實施方式均采用遞進的方式描述，各個實施方式之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施方式重點說明的都是與其他實施方式的不同之處。

雖然通過實施方式描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。