不同四塔组合形式对特大型冷却塔局部风压干扰效应影响研究

王 浩, 柯世堂

(南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016)

历史上曾多次出现冷却塔群在风荷载作用下倒塌的事故[1-2]，调查表明[3]此类风毁事故往往最先破坏于冷却塔表面风压峰值区，由此引起的塔筒局部损坏将导致结构进一步整体毁坏。塔群干扰对冷却塔局部风压的影响可能是加剧此类风毁事故发生的重要原因之一，现阶段我国大型冷却塔建设多以超高大和复杂塔群组合为特点，其中尤以四塔组合形式最为常见。因此，研究典型四塔组合形式下冷却塔群局部风压的干扰效应具有重要的理论意义和工程价值。

针对双塔组合冷却塔群干扰效应，文献[4]通过一系列测压风洞试验探讨了双塔组合下周边建筑物对冷却塔的干扰效应；文献[5-7]基于刚体测压试验和气弹测振试验等手段研究了双塔干扰下冷却塔整体、局部风压干扰因子分布规律，以及整体力系数随风向角变化规律。针对多塔组合冷却塔群干扰效应，文献[8-10]分别针对特定布置形式的三塔、四塔和八塔组合进行了测压风洞试验研究，基于试验结果分析了不同群塔组合形式下冷却塔的干扰因子取值，以及塔群组合形式下冷却塔风致响应特性。然而，已有塔群组合方案均是针对特定工程背景，且研究对象主要集中于冷却塔整体气动力系数，对于局部风压干扰特性的研究较少，尚未形成可直接指导工程设计的规律性成果。

鉴于此，以在建世界最高冷却塔为研究背景，系统进行了四塔串列、矩形、菱形、L形和斜L型等常见组合方案下的测压风洞试验。基于风洞试验结果，提炼出塔群局部风压静力和动力干扰因子的分布特性，分析了不同四塔组合形式对冷却塔平均和脉动风压分布模式的影响规律，最终基于数理统计和HHT(Hilbert-Huang Transform)方法对局部风压信号进行了分解和时频联合谱特性分析。主要结论可为此类特大型冷却塔群四塔组合方案的选取提供科学参考。

1 试验简介

1.1 工程概况

该在建冷却塔总高220 m，喉部标高165 m，进风口标高30.75 m，底部直径185 m，塔筒由64对X型支柱与环板基础连接。风洞试验模型按1∶450缩尺比制作，为详细获取冷却塔表面风压分布模式，塔筒共布置12层外压测点，每层沿环向顺时针均匀布置36个测点，总计432个测点。冷却塔的几何尺寸及测点布置如图1所示。

(a) 几何尺寸

(b) 测点布置

1.2 风场模拟

试验用风洞是一座具有串置双试验段的全钢结构闭口回流低速风洞，主试验段宽5 m、高4.5 m，风速连续可调，最高稳定风速可达30 m/s。试验风场按《建筑结构荷载规范》中的B类地貌模拟[11]，风场模拟的主要指标为平均风速剖面、湍流度剖面和顺风向脉动风谱等。三角尖劈和地面粗糙元置于来流前端用以模拟相应的风场，模拟结果见图2。可见风场模拟较好，满足试验要求。

(a) 平均风速剖面

(b) 湍流度剖面

(c) 脉动风谱

1.3 雷诺数效应模拟

风洞试验中模型的雷诺数与原型结构相差约2～3个数量级，对冷却塔这类圆截面构筑物进行风洞试验需采取措施以进行雷诺数效应修正。Farell等[12-13]研究表明可通过提高表面粗糙度对模型试验的雷诺数效应进行补偿。

试验中共测试了如下七种表面粗糙度工况：①光滑、②均匀粘贴1层、③均匀粘贴2层、④间隔粘贴2/3层、⑤均匀粘贴3层、⑥间隔粘贴3/4层、⑦均匀粘贴4层粗糙纸带。其中，纸带沿子午向等间距粘贴36条。图3列出了不同表面粗糙度下冷却塔喉部体型系数分布曲线，并与规范曲线[14]进行对比。由图3可见，均匀粘贴4层粗糙纸带可以较好地实现冷却塔雷诺数效应模拟，最终模拟措施如图4所示。其中，本文试验均以30%透风率考虑运行状态下的百叶窗开启效应[15]。

图3 风洞试验体型系数与目标曲线对比图

1.4 试验工况

群塔试验包括双塔和串列、矩形、菱形、L形、斜L型四塔共6类工况，每种布置方案各工况风向角间隔22.5°(逆时针旋转)。冷却塔塔间距均为2D，其中D为塔底直径。为更准确地反映冷却塔在电厂中受到的干扰效应，参考实际工程布置了多个周边干扰建筑，各工况具体平面布置及冷却塔位置信息见图5所示。群塔工况中最大阻塞率为3.22%，满足现行风洞试验标准[16]中的要求。

图4 雷诺数效应模拟示意图

(a) 双塔

(b) 串列四塔

(c) 矩形四塔

(d) 菱形四塔

(e) L形四塔

(f) 斜L形四塔

1.5 局部风压干扰因子定义

为反映组合形式对冷却塔表面局部风压的干扰效应，选择“最小负压系数”和“最大脉动风压系数”作为干扰因子的衡量标准。局部风压静力干扰因子(Wind Pressure Static Interference Factor，WSIF)和动力干扰因子(Wind Pressure Dynamic Interference Factor，WDIF)计算公式为

WSIF=max(|Cp_infer|)/max(|Cp_iso|)

(1)

WDIF=max(|rmsp_infer|)/max(|rmsp_iso|)

(2)

式中：max(|Cp_infer|)和max(|Cp_iso|)分别为群塔和单塔工况下的冷却塔表面所有测点中最小平均风压系数；max(|rmsp_infer|)和max(|rmsp_iso|) 分别为群塔和单塔工况下表面所有测点中最大脉动风压系数。

2 结果分析

2.1 局部风压干扰因子分布特性

表1给出了不同方案下冷却塔群最大WSIF和WDIF及其发生的位置信息，对比发现：① 两种干扰因子受四塔组合形式影响并不完全一致，WDIF数值偏大，WSIF偏小；② 典型四塔组合中，对局部风压静力干扰最大的布置方式是斜L形方案，影响最小是菱形方案；对局部风压动力干扰最大的布置方式是菱形方案，最小的是斜L形方案；③ 四塔组合中局部风压受干扰效应影响最大的塔均为中间塔，其中2#塔的干扰效应尤为显著。后续局部风压分布特性和信号分析均基于2#塔结果进行。

表1 各布置形式下塔群最不利工况干扰因子列表

图6给出了双塔和串列四塔布置WSIF和WDIF沿风向角分布图。由图6可知：① 当冷却塔群相对来流风处于并列布置时，局部风压静力干扰较大，动力干扰较小，增加的两干扰塔将导致2#塔受到更为显著的局部风压干扰；② 当冷却塔群相对来流风处于串列布置时，受“遮挡效应”的影响，WSIF急剧减小，而WDIF出现激增现象；③ 结合表1可知单排串列布置时风压干扰效应的控制工况发生于中间塔，冷却塔数量的增加对最大干扰因子数值大小的影响显著。

(a)双塔布置(b)串列四塔

图6 双塔和串列四塔布置工况下风压干扰因子沿风向角分布图

Fig.6 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under layouts of two towers and four towers in row

图7给出了矩形和菱形四塔布置WSIF和WDIF沿风向角分布图。对比图7与图6(a)可知，菱形和矩形布置增加的双塔在0°～67.5°和292.5°～360°风向角下对2#塔局部风压干扰效应影响微弱，在90°～270°风向角下影响较大。矩形和菱形两种方案最大干扰因子发生位置较接近，3#塔和4#塔位置的改变对局部风压静力干扰效应较小，但菱形布置时2#塔WDIF较矩形布置大。

(a)矩形四塔(b)菱形四塔

图7 矩形和菱形布置工况下风压干扰因子沿风向角分布图

Fig.7 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under rectangular arrangement and lozenge arrangement

图8给出了L形和斜L形四塔组合WSIF和WDIF沿风向角分布图。分析可得：① 180°～360°风向角内，L形四塔与双塔组合风压干扰因子分布较为吻合，增加的两塔对受扰塔的干扰作用主要体现在22.5°～157.5°风向角内；② 不同风向角下斜L形组合WSIF的数值和分布规律与串列形式十分接近，而WDIF差异较大，说明4#塔相对位置的改变对2#塔局部风压静力干扰影响微弱，但对局部风压脉动值的影响显著。

图8 L形和斜L形四塔布置工况下风压干扰因子沿风向角分布图

Fig.8 The diagram of WSIF & WDIF along wind angles under L-shaped arrangement and oblique L-shaped arrangement

2.2 局部风压分布特性

2.2.1 平均风压

图9给出了单塔和不同群塔组合最大WSIF工况平均风压系数三维分布图，其中图标括号内为该工况发生的风向角。图9(a)给出了单塔工况平均风压系数分布，对比可知：① 双塔组合最不利工况平均风压分布与单塔基本一致(忽略来流风向角的区别)，但塔筒喉部附近出现了明显的局部风压激增现象(文中对负压数值大小的描述均针对的是负压绝对值)，对应此时的WSIF达到1.10；② 串列和斜L形布置下，冷却塔表面风压分布规律与单塔几乎一致，但“狭缝效应”导致负压极值区和背风区负压均有明显的增大，局部增幅可达40%；③ 矩形和菱形布置时，干扰效应对局部平均风压分布的影响较微弱；④ L形方案对冷却塔平均风压分布的影响程度介于上述四种方案之间，主要影响区域位于负压极值区，局部最大增幅约20%。

综上所述，不同塔群布置对冷却塔局部最大正压的改变很小，塔群局部风压干扰影响区域主要是最小负压区和背风区。群塔布置下负压区局部平均风压相对单塔均有不同程度的增大，且存在如下大小关系：斜L形>串列>L形>矩形>菱形>双塔。不同群塔方案最小负压点均发生于喉部位置，仅环向角度有所差异。

(a) 单塔

(b) 双塔(315°)

(c) 串列四塔(0°)

(d) 矩形四塔(202.5°)

(e) 菱形四塔(247.5°)

(f) L形四塔(0°)

(g) 斜L形四塔(0°)

2.2.2 脉动风压

图10给出了单塔和不同群塔形式最大WDIF工况脉动风压系数分布云图。图10(a)中给出了单塔脉动风压系数分布，可以发现单塔脉动风压分布具有较明显的轴对称特性，70°～90°风向角范围内出现第一个峰值区域，随着环向角度的增加脉动风压系数迅速下降。以上分布特性主要适用于塔筒中部和上部，而塔筒下部并未出现明显的峰值区域，且脉动风压系数在分离点附近出现“反弹”现象。沿高度方向，自喉部高度往上脉动风压系数的峰值区域逐渐减小。

对比图10(b)～图10(g)与图(a)可以发现：① 群塔布置下表面脉动风压系数均呈现明显的非对称性，尤以串列形式最为明显；② 群塔干扰对冷却塔下部的脉动风压分布影响较大，这一区域的脉动局部风压系数数值和分布规律均与单塔差异明显，需引起注意；③ 除串列布置外，其他群塔方案冷却塔顶部均位于脉动风压系数峰值区域。

综上所述，塔群布置对冷却塔下部和顶部的局部脉动风压影响较大，这是由于群塔间相互干扰导致冷却塔“端部效应”进一步放大。不同塔群方案局部脉动风压系数均相对单塔有明显增大，且存在如下大小关系：菱形>串列>L形>矩形>斜L形>双塔。

2.3 局部风压概率分布与时频特性

2.3.1 概率密度分布

风工程研究中，通常假设风压信号符合高斯分布，高斯信号的概率密度分布函数可以完全由前两阶统计矩(数学期望和方差)来描述。非高斯信号通常采用三阶(斜度skewness)和四阶(峰态kurtosis)统计量对其概率密度函数的特征进行描述[17-18]。图11给出了单塔最小负压信号和喉部分离点风压信号的概率密度函数分布图。由图11可见，单塔最小负压信号近似呈现高斯分布，而喉部分离点风压信号与高斯分布偏离较大，斜度值(-0.848)和峰态值(4.449)明显偏离高斯分布的斜度值(0)和峰态值(3.0)，这与相关学者已开展的单塔风压非高斯研究的结果是接近的。

(a) 单塔

(b) 双塔(270°)

(c) 串列四塔(67.5°)

(d) 矩形四塔(180°)

(e) 菱形四塔(157.5°)

(f) L形四塔(135°)

(g) 斜L形四塔(270°)

(a)最小负压点(b)喉部分离点

图11 单塔工况典型测点信号的概率密度分布图

Fig.11 The probability density curves of signal of typical measuring point under single condition

对不同群塔方案最不利工况典型测点风压信号进行数理统计，统计表明，塔群干扰对冷却塔最小负压信号的概率密度分布影响较小。图12给出了各双塔和5种四塔组合方案最不利工况下冷却塔最小负压信号概率密度曲线。由图可知，双塔和串列组合与单塔最为接近，矩形和菱形方案对最小负压信号概率密度分布的影响十分接近。

2.3.2 风压信号的分解与时频分析

已有研究[19-20]表明HHT方法是一种提取信号趋势项的良好方法，将复杂信号直接分离为从高频到低频的若干阶固有模态函数(IMF分量)。

(a) 双塔(315°)

(b) 串列四塔(0°)

(c) 矩形四塔(202.5°)

(d) 菱形四塔(247.5°)

(e) L形四塔(0°)

(f) 斜L形四塔(0°)

首先采用EMD方法对不同群塔布置最不利工况下局部最小负压信号进行分解，限于篇幅，文中仅给出双塔、菱形和斜L形方案结果如图13所示(图中不同分量纵坐标范围均为-0.5～0.5)。局部风压信号经EMD分解后会得到的一系列IMF分量，每一个IMF分量都有不同振幅和频率，分解顺序按频率从高到低进行。C1即局部风压信号中的最高频信号，一般为包含的噪声或其他干扰信号，Cn表示局部风压信号经EMD分解后的第n个频率分量。由图13可知，不同工况最小负压信号分解后均有11个IMF分量，但菱形方案的IMF分量在中间频率段的振幅明显大于其他两种工况，而双塔工况仅在最低频振幅较大，对比可知菱形布置将导致冷却塔局部最小负压信号出现更为明显的大脉冲特性。

(a) 双塔组合

(b) 菱形四塔

(c) 斜L形四塔

图14给出了基于HHT方法得到的各工况局部最小负压信号时频分布图。根据已有研究可知Hilbert能量谱能更清晰的表明信号能量随时频的具体分布，从二维Hilbert时频谱中能更清晰地确定信号能量的集中频段和时间段。由图14可知，不同方案最小负压信号的能量均主要集中在低频0.1 Hz以下，且不同时间段分布较为平稳；双塔和斜L形布置时风压信号能量分布比较集中，而菱形布置时局部风压信号由于存在间断性的大脉冲特性且能量分布更为分散。

(a) 双塔组合

(b) 菱形四塔

(c) 斜L形四塔

3 结 论

以工程中最常见的串列、矩形、菱形、L形和斜L型五种四塔组合方案为例，系统研究了四塔组合形式对局部风压干扰效应的影响规律。首先，基于刚体测压风洞试验结果分析了典型四塔组合形式局部风压干扰因子的分布规律，研究了不同四塔组合方案对冷却塔局部风压分布模式的影响。在此基础上，对最不利工况典型局部风压信号进行了数理统计和时频谱联合分析。得到如下主要结论：

(1) 不同四塔组合方案均为中间塔的局部风压受干扰效应影响最大，其中2#塔的局部风压干扰效应最为显著，说明实际工程中后续冷却塔建设对已建塔的风压放大作用不容忽视。

(2) 不同四塔组合形式塔群干扰效应对冷却塔局部最大正压的改变较小，局部平均风压受影响区域主要集中于最小负压区和背风区；不同四塔组合布置下负压区局部平均风压系数绝对值相对单塔均有不同程度的增大，固定塔间距下存在的大小关系为斜L形>串列>L形>矩形>菱形。

(3) 不同四塔组合塔群干扰效应对冷却塔端部局部脉动风压的分布模式和数值影响较大，由于受端部三维效应影响，不同四塔组合布置下局部脉动风压系数相对单塔均有明显增大，固定塔间距下存在如下大小关系：菱形>串列>L形>矩形>斜L形。

(4) 不同四塔组合形式最小负压信号和喉部分离点局部风压信号分别近似呈现高斯和非高斯分布，塔群干扰效应对最小负压信号的概率密度分布形式影响较小；菱形方案局部最小负压信号IMF分量在中间频率段的振幅明显大于其它工况，具有间断性的大脉冲特性且能量分布更为分散。

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