Local transient extreme wind loads caused by group tower-related interference are among the major reasons that lead to wind-induced damage of super-large cooling towers. Four-tower arrangements are the most commonly seen patterns for super-large cooling towers. We considered five typical four-tower arrangements in engineering practice, namely, single row, rectangular, rhombic, L-shaped, and oblique L-shaped. Wind tunnel tests for rigid body were performed to determine the influence of different arrangements on static and dynamic wind loads and extreme interference effect. The most unfavorable working conditions (i.e., the largest overall wind loads) were determined based on the overall aerodynamic coefficient under different four-tower arrangements. Then we calculated the one-, two- and three-dimensional aerodynamic loads under different four-tower arrangements. Statistical analyses were performed on the wind pressure signals in the amplitude and time domains under the most unfavorable working conditions. On this basis, the non-Gaussian distribution characteristics of aerodynamic loads on the surface of the cooling towers under different four-tower arrangements were analyzed. We applied the Sadek-Simiu procedure to the calculation of two- and three-dimensional aerodynamic loads in the cooling towers under the four-tower arrangements, and the extreme wind load distribution patterns under the most unfavorable working conditions in each arrangement were compared. Finally, we proposed a uniform equation for fitting the extreme wind loads under the four-tower arrangements; the accuracy and reliability of the equation were verified. Our research findings will contribute to the optimization of the four-tower arrangements and the determination of extreme wind loads of super-large cooling towers.
As a novel typical wind-sensitive structure, the wind load and wind-induced structural behaviors of super-large straight-cone cooling towers are in an urgent need to be addressed and studied. A super large straight-cone steel cooling tower (189 m high, the highest in Asia) that is under construction in Shanxi Power Plant in China was taken as an example, for which four finite element models corresponding to four structural types: the main drum; main drum + stiffening rings; main drum + stiffening rings + auxiliary rings (auxiliary rings are hinged with the main drum and the ground respectively); and main drum + stiffening rings + auxiliary rings (auxiliary rings are fixed onto the main drum and the ground respectively), were established to compare and analyze the dynamic properties and force transferring paths of different models. After that, CFD method was used to conduct numerical simulation of flow field and mean wind load around the cooling tower. Through field measurements and wind tunnel tests at home and abroad, the reliability of using CFD method for numerical simulation was confirmed. On the basis of this, the surface flow and trail characteristics of the tower at different heights were derived and the wind pressure distribution curves for the internal and external surfaces at different heights of the tower were studied. Finally, based on the calculation results of wind-induced responses of the four models, the effects of stiffening rings, auxiliary rings, and different connecting modes on the dynamic properties and wind-induced responses of the tower structure were derived and analyzed; meanwhile, the effect mechanism of internal suction on such kind of cooling tower was discussed. The study results could provide references to the structure selection and wind resistance design of such type of steel cooling towers.
In the current code design, the use of a uniform internal pressure coefficient of cooling towers as internal suction cannot reflect the 3D characteristics of flow field inside the tower body with different ventilation rate of shutters. Moreover, extreme weather such as heavy rain also has a direct impact on aerodynamic force on the internal surface and changes the turbulence effect of pulsating wind. In this study, the world's tallest cooling tower under construction, which stands 210m, is taken as the research object. The algorithm for two-way coupling between wind and rain is adopted. Simulation of wind field and raindrops is performed iteratively using continuous phase and discrete phase models, respectively, under the general principles of computational fluid dynamics (CFD). Firstly, the rule of influence of 9 combinations of wind speed and rainfall intensity on the volume of wind-driven rain, additional action force of raindrops and equivalent internal pressure coefficient of the tower body is analyzed. The combination of wind velocity and rainfall intensity that is most unfavorable to the cooling tower in terms of distribution of internal pressure coefficient is identified. On this basis, the wind/rain loads, distribution of aerodynamic force and working mechanism of internal pressures of the cooling tower under the most unfavorable working condition are compared between the four ventilation rates of shutters (0%, 15%, 30% and 100%). The results show that the amount of raindrops captured by the internal surface of the tower decreases as the wind velocity increases, and increases along with the rainfall intensity and ventilation rate of the shutters. The maximum value of rain-induced pressure coefficient is 0.013. The research findings lay the basis for determining the precise values of internal surface loads of cooling tower under extreme weather conditions.
Internal ring beams are primary components of new ring-stiffened cooling towers. In this study, numerical simulation of the internal flow field of a cooling tower with three ring beams under wind-thermal coupling effect is performed. The studied cooling tower is a 220-m super-large hyperbolic indirect natural draft cooling tower that is under construction in China and will be the World's highest cooling tower, the influence of peripheral radiators in operating cooling tower is also considered. Based on the simulation, the three-dimensional effect and distribution pattern of the wind loads on inner surface of the cooling tower is summarized, the average wind pressure distributions on the inner surface before and after the addition of the ring beams are analyzed, and the influence pattern of ring beams on the internal pressure coefficient value is derived. The action mechanisms behind the air flows inside the tower are compared. In addition, the effects of internal ring beams on temperature field characteristics, turbulence kinetic energy distribution, and wind resistance are analyzed. Finally, the internal pressure coefficients are suggested for ring-stiffened cooling towers under wind-thermal coupling effect. The study shows that the influence of internal stiffening ring beams on the internal pressure and flow of cooling towers should not be ignored, and the wind-thermal coupling effect should also be considered in the numerical simulation of cooling tower flow fields. The primary conclusions presented in this paper offer references for determining the internal suction of such ring-stiffened cooling towers.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
The aerodynamic and aero-elastic model tests of the China''s highest cooling tower has been carried out in the TJ-3 Boundary Layer Wind Tunnel of Tongji University. By adopting a scanivalve system, the external wind pressure is firstly measured on $12{\times}36$ taps for a single tower, two and four grouped towers under the condition of both smooth flow and the boundary layer due to surrounding geographic and building topography. The measurements of internal wind pressure distribution of $6{\times}36$ taps are taken for a single tower under the various ventilation ratios ranging from 0% to 100% of stuffing layers located at the bottom of the tower. In the last stage, the wind tunnel tests with an aero-elastic model are carefully conducted to determine wind-induced displacements at six levels (each with eight points) with laser displacement sensors. According to the measurement results of wind pressure or vibration response, the extreme aerodynamic loading values of the single or grouped towers are accordingly analyzed based on probability correlation technique.
Wind loading is one of important loadings that should be considered in the design of large hyperbolic natural-draught cooling towers. Both external and internal surfaces of cooling tower are under the action of wind loading for cooling circulating water. In the previous studies, the wind loads on the external surface attracted concernedly attention, while the study on the internal surface was relatively ware. In the present study, the wind pressure on the internal surface of a 220 m high cooling tower is measured through wind tunnel testing, and the effect of ventilation rate of the packing layer on internal pressure is a major concern. The characteristics of internal wind pressure distribution and its effect on wind-induced responses calculated by finite element method are investigated. The results indicate that the wind loading on internal surface of the cooling tower behaves remarkable three-dimensional effect, and the pressure coefficient varies along both of height and circumferential directions. The non-uniformity is particularly strong during the construction stage. Analysis results of the effect of internal pressure on wind-induced responses show that the size and distribution characteristics of internal pressure will have some influence on wind-induced response, however, the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, and the contribution of internal pressure to the response is small.
Hyperbolic thin-shell cooling towers have complicated vibration modes, and are very sensitive to the effects of group towers and wind-induced vibrations. Traditional aero-elastic models of cooling towers are usually designed based on the method of stiffness simulation by continuous medium thin shell materials. However, the method has some shortages in actual engineering applications, so the so-called "equivalent beam-net design method" of aero-elastic models of cooling towers is proposed in the paper and an aero-elastic model with a proportion of 1: 200 based on the method above with integrated pressure measurements and vibration measurements has been designed and carried out in TJ-3 wind tunnel of Tongji university. According to the wind tunnel test, this paper discusses the impacts of self-excited force effect on the surface wind pressure of a large-scale cooling tower and the results show that the impact of self-excited force on the distribution characteristics of average surface wind pressure is very small, but the impact on the form of distribution and numerical value of fluctuating wind pressure is relatively large. Combing with the Complete Quadratic Combination method (hereafter referred to as CQC method), the paper further studies the numerical sizes and distribution characteristics of background components, resonant components, cross-term components and total fluctuating wind-induced vibration responses of some typical nodes which indicate that the resonance response is dominant in the fluctuating wind-induced vibration response and cross-term components are not negligible for wind-induced vibration responses of super-large cooling towers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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