高耸化工塔风效应的流动控制研究

Chemical towers are important equipments in chemical and oil industry, however, the frequent wind-induced vibrations greatly influence the service safety of chemical towers. This project will focus on the mechanism and flow characteristics of the wind-induced vibrations of the circular high-rise chemical towers, and employ a passive jet ringer flow control method to suppress the wind effect of the high-rise chemical towers. First, this project will study on the static wind loads and the flow characteristics of the high-rise chemical tower model and analyze the influence law of the control parameters to the surface pressure and its distribution, the flow separate point, and the vortex shedding mode and intensity of the high-rise chemical tower model. Second, this project will perform the aero-elastic wind tunnel test of the high-rise chemical tower model, study on the control effectiveness of the passive jet ringer to the cross-flow vortex-induced vibration, analyze the influence law of the control parameters to the vibration amplitude, the frequency lock-in region, the size of the separate vortex, and the vortex shedding mode and intensity, and set up the optimum design method of the control parameters. Third, this project will set up the numerical model of the passive jet ringer flow control to the cross-flow vortex-induced vibration of the high-rise chemical tower, perform the numerical simulation of the passive jet ringer flow control to the cross-flow vortex-induced vibration based on the optimal control parameters. In comparison with the wind tunnel test results, the project will study the influence law of the control parameters to the three dimensional flow field around the high-rise chemical tower, reveal the control mechanism of this method. This project will present a new method to the wind-resistant design of the high-rise structures.

化工塔是化工和石油工业的重要设备，经常发生的风致振动严重影响其服役安全。本项目研究高耸圆形化工塔风致振动机理及绕流场特征，提出采用被动吹气套环进行其风效应流动控制。首先，研究高耸圆形化工塔的静风荷载及其绕流场特性，分析被动吹气套环控制参数对高耸圆形化工塔表面风压及其空间分布特征、流动分离点、旋涡脱落模式及强度的影响规律；然后，进行高耸圆形化工塔气动弹性风洞试验，研究被动吹气套环对高耸圆形化工塔横风向涡激振动的控制效果，分析控制参数对振动幅值、频率锁定区间、分离涡尺寸、旋涡脱落模式及强度的影响规律，并建立控制参数的优化设计方法；最后，建立高耸圆形化工塔气动弹性的数值模型，基于最优控制参数，进行高耸圆形化工塔横风向涡激振动被动吹气套环流动控制的数值模拟，并与风洞试验结果进行对比分析，研究控制参数对三维绕流场的影响规律，揭示该方法控制机理，为高耸结构抗风设计提供新方法。

首先对高耸化工塔进行套环流动控制研究。根据工程背景中的化工塔按照一定缩尺比制作气弹性试验模型。在风洞试验中，利用加速度传感器进行测振实验，通过改变套环间距和安装位置等参数，研究套环对高耸化工塔风致振动的控制效果。试验结果表明：套环控制方法能有效抑制高耸结构的风致振动。.然后对高层建筑结构的风效应进行流动控制研究。首先采用数值模拟方法研究高层建筑结构的风致振动特性，以及刚性静止模型与气动弹性模型在不同均匀风速流场与风速剖面下的绕流场规律。结果表明：高层建筑结构存在着明显的涡激振动风速锁定现象，振动位移和锁定区宽度与风洞试验结果接近；在风剖面流场作用下，位移响应的变化规律与流场的平均风速有关，当平均风速接近锁定区域时，结构的位移响应最大；随着梯度风速的增加，结构分别呈现1阶和2阶风致涡激振动。高层建筑结构绕流场具有显著的三维特征。然后，研究高层建筑结构风致振动的套环流动控制方法。在风洞试验中，采用加速度传感器测量高层建筑模型的风致振动响应，使用六分量天平测量模型整体风荷载，采用粒子图像测速系统对试验模型的绕流场进行定量测量。通过改变套环间距和安装位置等参数，研究不同控制参数下高层建筑风致振动的控制效果。试验结果表明：套环控制方法能有效抑制高层建筑结构的风致振动。套环间距越小，套环安装位置越接近结构顶部，控制效果越好。