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大型双曲冷却塔风荷载特性和风致干扰效应研究

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第一章 绪 论

1.1冷却塔简介

1.2大型双曲冷却塔的发展历史

1.3大型双曲冷却塔表面风压特性的研究

1.4本文的主要研究内容

第二章 大型双曲冷却塔的风洞试验介绍

2.1冷却塔风洞试验的介绍

2.2风荷载的计算参数定义

2.3本征正交分解(POD)法

2.4本章小结

第三章模型表面粗糙度对冷却塔风荷载的影响

3.1冷却塔粗糙度研究综述

3.2风洞试验的两组表面粗糙度

3.3冷却塔风压合力的计算

3.4典型测层B层的风压分布

3.5顺风向的风压合力

3.6横风向风压合力的脉动均方根

3.7与规范及以往数据的比较

3.8本章小结

第四章 冷却塔风荷载的双塔干扰效应

4.1冷却塔双塔干扰的介绍

4.2双塔和单塔风压系数比较

4.3阻力的干扰效应

4.4升力的干扰效应

4.5塔底合力的干扰效应

4.6本章结论

第五章 呈倒品字形三塔分布的风荷载干扰效应

5.1三塔干扰的介绍

5.2三塔与单塔的风压系数比较

5.3顺风向底部剪力和弯矩平均值的干扰效应

5.4顺风向底部剪力和弯矩极大值的干扰效应

5.5横风向底部剪力和弯矩系数平均值的干扰效应

5.6横风向底部剪力和弯矩极大值的干扰效应

5.7本章结论

第六章考虑内外压共同作用的风荷载特性及风致响应

6.1冷却塔的内外压同步测量模型

6.2不同模型表面粗糙度下外表面的风荷载

6.3不同模型表面粗糙度下内表面的风荷载

6.4模型底部开孔与不开孔的风荷载

6.5外表面风压与规范数据的比较

6.6考虑内外压共同作用的风压分布

6.7考虑内压与否情况下的风致响应

6.8本章结论

第七章 风致响应的干扰效应研究

7.1干扰效应的以往研究成果

7.2冷却塔风致响应的有限元分析

7.3双塔情况下风致响应的干扰效应

7.4三塔情况下风致响应的干扰效应

7.5本章结论

第八章 结论与展望

8.1本文工作的总结

8.2进一步研究工作的展望

参考文献

作者简介及作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果

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摘要

大型双曲冷却塔主要应用于电力、石油、核能、采矿等行业。近年来,随着我国国民经济快速发展,这些行业得到了快速发展,大型冷却塔也大量被兴建。但这类薄壳旋转结构具有高度高、体量大、自重轻等特点,风荷载成为控制结构设计的主要荷载之一。一般规范针对单塔的风荷载提供了参考数据,而实际中,冷却塔一般成群兴建,塔与塔之间的干扰效应使得在某些情况下其风荷载要比单塔的大得多,因此,进行相关的干扰效应研究很有必要。
   本文首先采用两种粗糙条数量和五种粗糙条厚度分析模型表面粗糙度对冷却塔风荷载的影响,应用本征正交分解法(POD)进行风压点的加密和重构,分析不同粗糙度下冷却塔的风压分布和总体受力,并将试验结果与规范、以往的实测和风洞试验结果进行比较。研究发现,冷却塔模型的表面越光滑,喉部附近B层测点最大负风压的绝对值越大;当模型表面粗糙条数量增大时,冷却塔的底部剪力系数变大,受到的总体风阻力越大;冷却塔颈部附近的阻力系数与规范数据接近,而顶部和中下部的阻力系数比规范大,需引起设计的重视。
   为了研究双塔和三塔情况下冷却风荷载的干扰效应,通过增加模型表面粗糙度的方法以补偿模型试验的雷诺数效应。计算单双塔的阻力系数和升力系数,并分析其干扰系数随塔间距、风向角的变化规律。研究表明:单塔情况下,平均阻力系数较大,平均升力系数为零,阻力系数和升力系数的均方根数据相当;双塔情况下,阻力系数的平均值和极大值对应的干扰系数几乎相同,大多数情况下,升力系数极大值的干扰系数大于1,最大的数据达1.87。三塔情况下,顺风向底部剪力平均值和极大值的干扰系数大部分都小于1,说明呈倒品字形分布的三塔对风通道形成阻挡,使后塔受到的总体阻力变小。横风向底部剪力极大值的干扰系数大部分超过1,最大值接近2,说明三塔情况下横风向的脉动效应非常显著。
   同时,本文也研究了冷却塔在内外压共同作用的问题。研究表明,模型底部开孔与否对外压几乎没有影响,而内压却有很大影响,底部开孔时内表面风压系数为-0.4,不开孔时为-0.7左右。内压相当于均匀环压作用在内表面上,其对子午向薄膜应力和径向位移几乎没有影响,而对环形薄膜应力有一定影响。
   最后,研究了双塔和三塔情况下,冷却塔风致响应的平均值和极大值的干扰系数在不同塔间距和风向下的变换规律。研究发现,风致响应的干扰效应与风荷载的干扰效应不同,两种干扰效应的规律并不是一致的。

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