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雷诺数效应模拟大型冷却塔风荷载特性风洞研究
本文超大型冷却塔原型结构在设计风速下雷诺数范围为 1.5×108－3.5×108。由于物理风洞本身的局限性，难以简单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，而且还与表面粗糙度等因素有密切的关系。实践证明,可以通过适当改变模型表面粗糙度来近似模拟高雷诺数时的绕流特性。
比较了多种改变表面粗糙度方案，最后确定采用在表面刻线(沿圆周均匀分布深 0.1mm 计 36 条竖向通长刻线)+粗糙纸带(沿圆周均匀分布宽 12mm 厚 0.1mm 计 36 条竖向通长粗糙纸带)和调整试验风速(8m/s)手段来模拟高雷诺数效应。模拟标准为冷却塔表面压力分布、整体阻力系数和 St 数取值等。双曲线冷却塔平均风压分布系数，选用水工规范推荐的西安热工所风压分布八项式拟合曲线，模拟过程着重于最大压力系数、最小压力系数、尾流压力系数、零压力系数角度、最小压力系数角度和分离角度。由图 3 比较可知表面刻线+粗糙纸带在 8m/s 试验风速下冷却塔中间 6 个断面平均表面压力分布与规范值吻合较好，中段截面阻力系数CD = 0.436
尾流测试
斯脱罗哈数是结构几何形状和雷诺数的函数。当雷诺数 Re>3.5×106 时，类圆柱结构尾流涡脱中紊流成份较为突出，但仍会出现有规律的旋涡脱落，这时 St 数稍大于 0.2[10]。St 数与结构的动力响应密切相关，也是本试验需要模拟的雷诺数效应之一。由于尾流脉动成份的紊乱性，涡脱频率直接实测较为困难。风速尾流有规律的旋涡脱落，使结构物表面的压力周期性变化，引起横向风荷载表现为周期性作用，这个周期应该与尾流的旋涡脱落周期一致，升力(横风向力)时程频谱与尾流时程频谱的卓越频率应该相近，所以本文尝试通过对整体升力时程的频谱函数间接确定涡脱卓越频率。为了验证这种方法的有效性，采用热线风速仪对冷却塔尾流进行了多点实测。
把热线风速仪置于冷却塔背风侧，改变风速仪探头的高度以及与冷却塔的距离，在 8m/s 试验风速条件下对冷却塔尾流区域空间多个点位进行了测试。结果表明，探头位置在距离地面约 2/3 塔高处、距离模型背风侧表面约 0.8 倍喉部中面半径处测得的尾流涡脱频率最为明显，见图 4(a)。对冷却塔表面压力系数时程积分，得到整体升力时程， 图 4(b)为升力系数时程的频谱函数。
尾流涡脱频率(2.411Hz)与升力系数时程的频谱变化得到的频率(2.594Hz)比较接近，相对偏差为 7.5%。用尾流涡脱频率和升力系数时程的频谱变换计算的 St 数分别为 0.235 和 0.253(特征尺寸取冷却塔模型喉部直径 0.78m，风速为 8m/s)，均大于 0.2，进一步验证了冷却塔 St 数完全符合本试验模拟的目标值。
来源：冷却塔 http://www.51lqt.cn/ |
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