作为热力发电厂的重要构筑物，大型双曲线形冷却塔的抗风性能直接关系到冷却塔的安全可靠性。自1965年英国渡桥电厂的3座冷却塔在中等风速下发生风毁事故以来^[1]，众多学者对其表面风荷载分布特性^{[2, 3, 4]}和干扰效应^{[5, 6, 7, 8]}进行了深入研究，相关研究成果为开展大型双曲线形冷却塔的抗风设计工作提供了很好的支撑^[9]。然而，已有研究成果很少考虑冷却塔周边环境干扰的影响，更缺乏周边环境干扰建筑物（汽轮机房、煤仓间、锅炉房以及周边塔等）对冷却塔风荷载影响的研究资料。

本文分别对单塔与考虑周边塔及建筑物干扰2种典型工况的冷却塔进行了风洞试验，得到了被测塔塔筒表面风压时程，对比分析了各风向角下的整体阻力系数；然后对最不利风向角下的平均风压与脉动风压进行了系统分析。相关结论可供大型双曲线形冷却塔设计工作中风荷载取值提供科学依据。

1 风洞试验 1.1 模型参数及测点布置

风洞试验冷却塔主体结构以蒙西某超临界“3塔合1、2机1塔”机组大型双曲线形冷却塔为对象^[10]，该塔塔高为180 m，塔顶外径103.48 m，喉部中面半径51 m，进风口中面半径81.87 m，通风壳体采用分段等厚（最小厚度0.35 m，最大厚度2.45 m），塔底由40对均匀分布的X形字柱支撑。

按1∶250缩尺比制作冷却塔刚体测压模型，冷却塔模型阻塞度小于5%。冷却塔外表面沿其子午向和环向布置12×36共432个表面压力测点。图 1为冷却塔模型在风洞中的安装情况、测点布置以及来流角度示意图。

图 1

Fig. 1

图 1 风洞试验模型测点布设示意图

本工程（一期）冷却塔、规划中的塔群（二期）及周边建筑物的相对位置关系见图 2，周边主要干扰建筑物高度见表 1。风洞试验中，将电厂总平面图正东向定义为0°风偏角，吹风方向以顺时针方向为正角度方向。

图 2

Fig. 2

图 2 塔群及周边建筑物的相对位置与风向角示意图

表 1 (Table 1)

表 1 风洞试验时考虑的主要干扰建筑物高度列表

表 1 风洞试验时考虑的主要干扰建筑物高度列表

风洞试验中流场按B类地貌流场模拟，风剖面指数为0.15。图 3给出了B类流场实测的平均风剖面、紊流强度和脉动风谱，可见风场模拟的平均风剖面和规范比较吻合，紊流强度在近地面处接近20%，也满足规范的相关规定^[11]。将实测的脉动风谱进行拟合，并和Davenport谱、Harris谱及Karman谱的曲线进行比较，结果表明该风场模拟的脉动风谱满足工程要求。

图 3

Fig. 3

图 3 风洞B类风场模拟参数图

大型冷却塔原形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模型结构几何尺寸来再现这种高雷诺数下的表面绕流形态。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关系，因此可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^[12]。

图 4为风洞试验结果与规范表面压力分布比较，可见表面间隔粘贴2层、3层粗糙带在12 m/s试验风速下表面压力分布曲线与规范压力系数分布曲线吻合较好，因此将该工况作为后续塔群干扰模型的雷诺数效应模拟标准。

图 4

Fig. 4

图 4 风洞试验结果与规范表面压力分布比较

通过风洞试验得到了塔筒表面各测点的风压时程^[13]，由此可计算得到各风向角下冷却塔整体阻力系数与群塔比例系数的分布情况，如表 2所示。

表 2 (Table 2)

表 2 冷却塔气动力系数CD随来流角度变化情况

表 2 冷却塔气动力系数CD随来流角度变化情况

从表 2可知，各风向角下冷却塔最大阻力系数均值0.463出现在112.5°来流角度处，被测塔群塔影响系数最大值K_D=1.19出现在292.5°来流角度。

图 5为来流角度在292.5°时选取的冷却塔4个典型断面的风压系数分布，分别对比单塔与考虑周边干扰时最不利来流条件下表面压力系数特征值。

图 5

Fig. 5

图 5 单塔与考虑周边干扰时测试塔表面压力系数特征值

分析图 5可知：

（1） 在292.5°风向角下，被测塔位于干扰塔与干扰建筑物的下方，来流完全受到了干扰建筑物的影响，导致被测塔塔筒各层表面平均风压的正压极值与负压极值均发生了较大的偏移；

（2） 由于周边干扰的影响，增大了塔筒表面平均风压的正负极值，其中第10层测点的负压极值增加情况最为明显，压力系数特征值达到了-1.94，并且该层的正压极值也达到了最大，压力系数特征值达到了1.0。

压力系数的根方差是用来衡量脉动风压大小的重要指标，通过对风洞试验数据结果统计分析求得各工况作用下的均方根脉动风压系数（RMS）^{[14, 15]}。图 6给出了292.5°风向角下4个典型测点层的均方根脉动风压随环向角度的变化示意图。

图 6

Fig. 6

图 6 单塔与考虑周边干扰下测试塔表面测点脉动风压均方根变化示意图

分析图 6可知：

（1） 由于周边干扰建筑物的影响，导致单塔与存在周边干扰2种工况下测试塔表面测点脉动风压均方根差异较大；

（2） 在292.5°风向角下，由于被测塔的15—25测点位于塔筒的侧风面分离点处，因此导致了此位置的测点与单塔时的脉动风压均方根差异明显。

本文分别对单塔与考虑周边塔及建筑物干扰2种典型工况的冷却塔进行了风洞试验，得到了被测塔塔筒表面风压时程，对比分析了各风向角下的整体阻力系数，并对最不利风向角下的平均风压与脉动风压进行了分析，结论可供大型双曲线形冷却塔设计时风荷载的取值提供参考依据。

（1） 采用1∶250 缩尺比制作冷却塔刚体测压模型，在12 m/s试验风速下，于塔筒表面间隔粘贴2 层和3 层粗糙带可较好地模拟塔筒表面雷诺数效应；

（2） 考虑周边环境干扰的情况下，被测塔最不利来流风向角度为292.5°，阻力系数极值为0.596，最大群塔比例系数为1.19；

（3） 在最不利风向角292.5°工况下，被测塔平均风压正负极值增加较多，分别达到了1.0与1.94，并且脉动风压均方根在塔筒侧风面分离点处差异最大。