某发电厂景观烟囱的风载体型系数研究
摘 要:基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、修正的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对某发电厂景观烟囱的风载体型系数进行了数值模拟。研究了两种网格密度、三种湍流模型、五种风向角下烟囱各区域的整体体型系数和典型测点体型系数分布,比较了光滑模型和实际模型的体型系数差异。分析表明,RSM模型能获得与我国荷载规范最为接近的结果,验证了数值模拟的可行性;装饰条的设置推后了实际模型圆型截面的分离并改变了背风面的流场,从而极大地增大了其整体体型系数,降低了体型系数的负峰值。最后给出了各区域的顺风向整体体型系数取值和测点层体型系数的极值点,为该烟囱的设计提供了参考。
关键词:体型系数 烟囱 装饰条 数值模拟
某发电厂景观烟囱是一高度为210m的钢内筒烟囱。钢筋混凝土外筒高205 m,筒顶外直径11•0m;高度195•0~185•0 m为一圆台,其下部直径为
16•0 m;185•0~165•0 m为一直径为16•0 m圆柱体;165•0~155•0 m为一倒立的圆台,其下部直径为11•0 m;高度60•0 m以下放坡8%至烟囱底部,底部外直径20•6 m。由于外观装饰的要求,烟囱表面在高度60~195 m内布置不同形状的装饰条。
由于该烟囱为一具有独特外形且质量刚度分布不均匀的高耸结构,所以其风荷载的计算(括风载体型系数和风振系数的确定)不能利用现有规范公式直接得到。烟囱60 m以上装饰条的设置,使得其周围的流场发生变化,改变了烟囱的风荷载分布特性。由于风洞试验在进行刚性模型测压试验时,可能对其装饰条等细部的造型进行了简化,这将会给体型系数的确定带来了误差;另外缩尺比例的模型也不能真实地模拟烟囱周围的复杂流场及其风荷载的分布和大小,因此进行足尺的全模型数值模拟是迫切需要的。本文基于计算流体动力学软件Fluent对烟囱全尺寸模型的风载体型系数进行了数值模拟研究。
此烟囱位于某大城市郊区,其周围的楼宇均比较低矮,地面粗糙度可归为B类,10 m高度处50年一遇的最大风速为26•833 m/s。由于其周围拟建
建筑物或构筑物的高度均不及烟囱高度的一半,故在确定烟囱整体风荷载时可不考虑周围建筑物和构筑物对其产生的干扰效应的影响。考虑到烟囱的外形具有轴对称形式,本文计算中仅需考虑0~45°之间的变化,以10°为间隔计算了0~40°之间烟囱的静力风荷载,确定了其周围的体型系数分布和供设计参考的各区域整体体型系数。
烟囱的足尺模型置于断面为840 m×630 m、长度为2 100 m的计算域内,模型中心距入口边界420m,最大堵塞度约为0•52%。模型表面采用三角形
单元划分,计算域采用非结构化四面体单元进行网格划分。数值计算参数具体配置。
由于烟囱的高宽比较大,其体型系数沿高度分布很不均匀,故本文对模型进行了分区,沿高度分别将其分为7个大区域,其中区域S4、S6和S7又被分为几个小区域,各区段的编号和高度分布。
为研究烟囱不同高度和圆周径向的体型系数分布特性,分别在21、36、51、69、85•5、102、118•5、135、151•5、160、175、190 m和207 m等高度处设置了13层环向测点,其编号分别为H01-H13。环向分布的测点间隔为22•5°,烟囱环向测点布置及风向角的确定方法。
入口来流条件:来流为我国荷载规范中的B类地面粗糙度剪切流,其风剖面的表达式为:
V(z) = V10(z/10)0•16(1)
10 m高度处的风速V10=26•833 m/s,z自模型底部算起,模型顶点高度处的风速VH=43•674m/s。烟囱的流动雷诺数Re处于高超临界区域。
来流边界处的风剖面V(z)、k和ε均采用UDF(用户自定义函数)编程与Fluent实现对接。计算域出口条件:流场任意物理量ψ沿出口法向的梯度为零,即 ψ n=0。计算域侧面和顶面采用自由滑移壁面条件。计算域底面及研究对象表面:无滑移的壁面条件。
土木工程结构中的流动现象多属于低速不可压缩问题,其控制方程是连续方程和纳维—斯托克斯方程(N-S方程)。由于计算机硬件和计算时耗的
限制,现有的数值模拟一般采用基于时间平均的雷为解决雷诺应力问题,人们提出了一系列封闭雷诺方程的方法即“模式理论”,大致可分为两大类型,第一类是采用Boussinesq涡团粘度模型,主要思想是采用涡团粘度系数υT来表示雷诺应力-〈uj′ui′〉,相应的模型有零方程模型、一方程模型和二方程模型(包括标准k-ε模型、改进的k-ε模型等);第二类模型包括雷诺应力方程模型(RSM)和代数应力模型(ASM)。RSM模型放弃了涡黏性系数假设,直接建立边界层内雷诺应力的微分方程,比简单的Boussinesq涡团黏度模型具有更高的准确度和更广泛的适用范围,它可以考虑涡黏性方向的影响,更适合于复杂流动的数值模拟。
在固体壁面附近,湍流的脉动影响不如分子黏性的影响大,雷诺数Re数较低,因此本文采用非平衡壁面函数来考虑壁面对流场的影响,以模拟壁面
附近复杂的流动现象。利用半隐式压力相关求解方法(SIMPLE)来求解流场压力-速度耦合方程。监测控制方程的12个变量残余值和模型多个表面的平均风压系数变化,当所有相对迭代残余值均小于1×10-5且表面平均风压系数基本不发生变化时,认为结果达到稳定。
本文采用CFD方法研究了某发电厂景观烟囱各区域的整体体型系数和典型测点层体型系数分布,比较了光滑模型和实际模型的体型系数差异。现将本文所获得的主要结论归纳如下:
1)通过与我国荷载规范的比较,确定RSM能获得最为精确的结果,验证了本文数值模拟的可行性。
2)比较粗密两种网格密度下烟囱的体型系数分布,发现两者结果比较一致,说明了本文计算模型的有效性。
3)装饰条的设置推后了实际模型圆型截面的分离并改变了背风面的流场,从而极大地增大了其整体体型系数,降低了体型系数的负峰值。
4)给出了各区域的顺风向整体体型系数取值和测点层体型系数的极值点,为该烟囱的设计提供了参考。
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