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Vol.42，No.2第42卷第2期April，2016SichuanBuildingMaterials2016年4月大型冷却塔单塔时表面风压CFD数值模拟张坚(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610042)摘要:通过CFD数值模拟软件Fluent对某大型冷却ZZY塔单塔时的表面风压分布进行研究,并将之与相关规范的XX塔表风压分布进行对比,验证了CFD数值模拟的适用性,为冷却塔设计提供一定的参考依据。关键词:CFD;冷却塔;风压;有限元模型+中图分类号:TU312.1文献标志码:B文章编号:1672-4011(2016)02-0036-02DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2016.02.019图1冷却塔网格模型图2冷却塔计算流域示意图0前言将离散后的冷却塔模型导入到CFD商用计算软件Flu-大型冷却塔是一种典型的钢筋混凝土薄壁结构,常在ent中,入口处速度和湍流强度沿高度的分布特征通过编写电厂中用作水冷却设备。随着我国国民经济的快速发展,用户定义函数(UDF)在边界条件中实现:设定其边界条件大量冷却塔被兴建,并朝着高度更高、直径更大的方向发为A类地貌,地面粗糙度系数α取0.12,入口处风速沿高展。由于冷却塔体型庞大、壁厚极薄,风荷载成为其主要度变化的数学表达式如式(1)所示,入口处湍流强度的数学的控制荷载,因此对冷却塔表面风压分布的研究具有重大表达式如式(2)所示,本文取U=36.3m/s:10的工程应用价值。U=U(Z/Z)a(1)Z00目前的结构风荷载特性研究主要通过风洞试验、理论-α-0.05ZIu=0.1()(2)分析、现场实测、CFD数值模拟四条途径。风洞试验经济HT成本高,并受模型尺度的影响;理论分析的难度不言而喻;其他边界条件参考以往学者[4-6]设置为:流域的出口现场实测则需要相关单位的协调,人力、物力投入大且受设置为压力边界出口,顶部、两侧设置为对称面(symme-气象条件制约。虽然对计算机硬件的要求比较苛刻,但随try),地面以及冷却塔的外表面和内表面采用无滑移的壁面着计算机快速的更新换代,CFD数值模拟以其经济性、对条件。计算采用3D单精度、Pressurebased求解器、空气模不同风场的适用性,以及较高的精度,对工程实践具有重型选用理想气体模型(ideal-gas)、三维湍流模型采用Real-要的指导意义。izablek-ε模型、对流项的离散采用的一阶迎风格式、速本文拟借助CFD数值模拟软件Fluent对大型冷却塔单度压力耦合采用SIMPLEC算法。由于Realizablek-ε模型塔时的表面风压分布进行研究,并与相关规范的塔表风压是针对充分发展的湍流才有效,而在近壁面区,流动情况分布进行对比。变化很大,特别是粘性底层几乎是层流,湍流应力几乎不起作用,因此采用非平衡壁面函数法。1CFD数值分析原理3冷却塔的绕流分析计算流体动力学(CFD)是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无粘绕流和粘性流动进行数值模拟和分析的图3～4分别给出了冷却塔顺风向竖直剖面的风速矢量学科。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空图和喉部处截面的风速矢量图。由图3～4可见:从人字柱间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列之间穿过的气流流经筒体内部空间后,大部分气流会撞上有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则背风面筒体的内表面,然后沿着这一表面往上流动,在筒和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方体内部空间形成一个巨大的涡流,所以该内表面区域的风[1-3]程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。压系数会比周围大;在塔喉部,由于塔筒半径较小,从塔中部两侧通过的气流量大,风速较快。2有限元模型的建立ZZ某冷却塔高180m,塔顶半径44.05m,底部半径72.7ZXZXvelocityvelocity8585m,喉部高135m,喉部半径40.76m,塔底由48对均匀分8080757570706565布的人字柱支撑。模型建立后采用Gambit软件对其进行网6060555550504545格划分,划分后的网格模型如图1所示。计算的流域尺寸40403535303025252020为顺风向800+1200=2000m,横风向900+900=1800m,1515101055高度方向1000m,如图2所示。作者简介:张坚(1989-),男,贵州毕节人,硕士研究生,主要从事建图3冷却塔顺风向剖面图4冷却塔喉部截面的筑结构设计工作。风速矢量图风速矢量图·36· 第42卷第2期Vol.42，No.22016年4月SichuanBuildingMaterialsApril，20164与相关规范结果对比5结论图5给出了冷却塔单塔时外表面各高度处的体型系数本文采用CFD流体数值模拟软件Fluent对大型冷却塔分布曲线(图中实线),将之与规范曲线(图中虚线)对比,单塔时的表面流场分布进行了研究,并与相关规范推荐的可以发现:①外表面的体型系数沿高度变化不一,存在着塔表风压分布作了对比,得到如下结论。明显的三维效应,而规范所取的体型系数曲线沿塔高并不1)通过对冷却塔单塔时的绕流分析可直观地得出冷却变化;②冷却塔上部、下部背风区体型系数与规范吻合得塔表面流场分布图,与实际相符。较好,而中部与规范差距较大;③冷却塔中部迎风区体型2)通过与相关规范推荐的塔表风压分布对比,进一步系数与规范吻合得较好,而上部、下部与规范差距较大;验证了数值模拟的准确性:冷却塔中部基本与规范相符,④侧风区体型系数与规范取值差距较大,规范的体型系数但塔底及塔顶由于存在三维流效应(规范推荐的公式也未曾曲线最大负压值大概在70°附近取到,而CFD模拟的则在考虑三维流效应)与规范有较大出入。90°附近。3)CFD数值模拟针对不同风场可进行相应的参数调整,成本低、周期短、精度满足工程需要,对实际工程的设计具有重要的指导意义。[ID:002695]参考文献:[1]周雪漪.计算水力学[M].北京:清华大学出版社,1995.[2]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版社,2001.[3]郭鸿志.传输过程数值模拟[M].北京:冶金工业出版社,1998.[4]张坚.大型冷却塔的双塔干扰效应和考虑下部结构的有限元分析[D].杭州:浙江大学,2014.[5]鲍侃袁.大型双曲冷却塔的风荷载和风致响应理论分析与试验研究[D].杭州:浙江大学,2009.[6]张陈胜.大型双曲冷却塔风荷载的数值模拟研究[D].杭州:浙图5各高度处外表面体型系数对比图江大学,2008.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■(上接第28页)随着污泥掺量的增加而增大;但根据后面对力学性能检测的结果,污泥不宜掺加过多,否则会影响到成型试样的强度。也是掺加复合NaOH+NaSO的试样抗折强度较低的原因。242)加入激发剂后,试样强度均出现增长,强度的增长随2.5NaOH+Na2SO412激发剂掺量的增加而增大;不同激活剂的效果差别不大,但2.0CaO+Na2SiO310复合NaOH+NaSO掺量超过2%时,容易出现激发剂析出248度1.5度现象,所以激发剂的掺量在2%以下为宜。强61.0强43)掺加15%的污泥,可较好提高黄河淤泥的可塑性,加NaOH+Na2SO40.52CaO+Na2SiO3入2%的复合激发剂可制备出满足MU7.5的黄河淤泥砖。0[ID:002706]0.000.010.020.030.040.050.000.010.020.030.040.05激发剂掺量激发剂掺量a.抗折强度b.抗压强度参考文献:图3激发剂对试样力学性能的影响[1]任美锷.黄河的输沙量:过去、现在和将来[J].地球科学进展,2006,21(6):5-17.[2]穆兴民,王万忠,高鹏,等.黄河泥沙变化研究现状与问题[J].人民黄河,2014,66(12):5-11.[3]安红岩,唐行三,王海龙,等.利用引黄工程淤泥生产新型墙体材料的研究与应用[J].2005,27(6):14-17.[4]童丽萍.利用黄河淤泥研制承重烧结多孔砖[J].新型墙体材料与施工,2003,29(11):26-27.[5]杨久俊,刘俊霞.黄河淤泥制备黏土基墙体材料性能研究[J].NaO+Na2SiO3NaOH+Na2SO4混凝土与水泥制品,2012,38(5):59-62.图4试样扫描电镜图片[6]刘俊霞.黄河泥沙基可降解生土材料结构与性能研究[D].郑州:郑州大学,2013.3结论1)向黄河淤泥中掺加污泥后,其可塑性有明显改善,且·37·
