双烟囱相互干扰下风荷载和风振特性的试验及数值模拟研究

Chimney stacks are the significant strcuctures and one of key items for a thermal power plant. Framed steel chimney, which is used in contemporary large scale or super large scale thermal power plant, trends high-rise, large dimension and group. The wind loading has become the dominated loading for structural design. The flow interference existing in two or more chimneys may threat the safety of structure seriously. The lack of design criterion makes the case even worse and confines the design and optimization of chimney structures..The objective of this study is to investigate the wind loading and wind-induce vibration of twin chimney stacks due to the interference. The chimney stacks with circular cross section and high levels 180m, 210m, 240m, 270m and 300m, are chosen to take as representives. The methodology to conduct this study includes model wind tunnel tesing and CFD simulation. The possible effects of geometric parameters including height, diameter and distance between two chimneys, arrangement of chimneys or yaw angles of oncoming wind on mean and dynamic wind loads, wind-induced responses will be exploited. The critical arrangement condition especilly distance between two chimneys will be defined for the case of aerodynamic interference to be significant. The emperical formula of equivalent wind loding for structural design will be proposed and verified. Moreover the minimum Reynolds number will also be proposed for modeling the supercritical flow properties of circular cylinder in ordinary wind tunnels and by using conventional experiment techniques.

烟囱是火力发电厂的标志性构筑物和控制性项目。随着当前大规模或超大规模火电厂的建设，其采用的塔架式钢烟囱也向高耸、巨型、群体等方向发展，使得风荷载成为了此类结构设计的控制性荷载，尤其在多烟囱布局条件下，其相互间可能存在的气动干扰效应会对结构安全构成重大威胁。针对此类问题，现有烟囱设计理论中缺乏合理的风荷载取值方法，从而严重制约了此类结构的设计及优化。.本课题主要研究双烟囱相互干扰下的风荷载及风振特性。拟选取5种高度即180m、210m、240m、270m、300m的圆截面双烟囱作为研究对象，通过风洞试验和数值模拟计算两种方法，研究烟囱几何参数（高度、直径）、布置方式对平均风荷载、动态风荷载及风致振动特性的影响，确定需要考虑气动干扰的双烟囱布局条件，提出气动干扰下双烟囱等效风荷载经验公式。另外，还将对常规风洞试验技术下模拟高超临界下圆形截面流动特性的最小名义雷诺数提出建议。

大型火力发电厂采用的多烟囱布局往往可能存在显著的气动干扰效应，例如两座烟囱串列排列时，上风向的烟囱与下风向烟囱之间的气动干扰，往往成为烟囱设计时的主要控制因素，忽略此因素，可能导致偏不安全的后果。本课题基于圆柱绕流理论及一系列的风洞试验，采用改变流场及圆柱表面粗糙度的方法，来提高烟囱的有效雷诺数，尝试寻求一种在低风速风洞模拟自然大气中烟囱绕流及气动力特性的实用方法。首先对两种比例尺单圆柱进行测压试验，通过对多种风场及表面粗糙度下圆柱表面风压和阻力系数的分析，探索出了一种简单有效的措施可达到模拟超临界圆柱绕流的要求。基于单圆柱引导试验的成果，开展了双烟囱干扰下的风荷载及风致响应的研究。在多种干扰间距下，通过刚性模型测压试验和气动弹性模型试验，重点对烟囱的表面风压、平均及脉动风荷载和风致振动响应进行了研究。基于试验结果，分析了各种排列组合对烟囱风荷载及风致响应的影响，经过大量的归纳总结，给出了需要考虑气动干扰的无量纲烟囱间距临界值、平均风荷载及脉动风荷载的空间分布特性，便于相关结构设计人员参考使用。最后，采用CFD数值模拟方法，分别对二维单圆柱、二维双圆柱及三维单、双烟囱的流动机理进行了研究，着重对双烟囱干扰下的流动分离、流场分布及漩涡脱落等流固耦合现象进行了讨论。综上所述，本课题的研究为大型双烟囱的风荷载及风致响应的精细化分析奠定了坚实的基础。同时，本研究在低风速风洞中为模拟超临界圆柱绕流所进行的尝试，为以后同类型研究提供了重要的参考。项目资助发表SCI论文3篇，4篇SCI正在审稿中，发表EI论文5篇，2篇中文核心，参加并发表国际会议论文6篇。培养博士研究生2名（在读），硕士研究生5名。