采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010466604.0 (22)申请日 2020.05.28 (71)申请人 东南大学 地址 211102 江苏省南京市江宁区东南大 学路2号 申请人 江苏东印智慧工程技术研究院有限 公司 东衢智慧交通基础设施科技 （江苏） 有限公司 (72)发明人 程霄翔吴刚黄思杰赵军 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人 冒艳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 30。

2、/13(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模 型的制作方法 (57)摘要 本发明公开了一种采用雷诺数效应模拟的 冷却塔气弹测压模型的制作方法， 包括如下步 骤： (1)利用等效梁格法制作冷却塔气弹模型； (2)在梁格气弹模型的表面粘贴弹性轻质薄膜， 并在节点设置测压孔， 获得冷却塔气弹测压模 型； (3)利用动静态风荷载同步雷诺数效应模拟 法在冷却塔气弹测压模型表面模拟雷诺数效应。 本发明方法克服了传统冷却塔测压模型无法考 虑气动自激力效应以及无法保障动力风效应模 拟准确性的不足， 结合等效梁格气弹模型制作法 与动静。

3、态风荷载同步雷诺数效应模拟法， 利用该 模型通过风洞试验准确地再现真实的冷却塔表 面动静态绕流特征。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 111783325 A 2020.10.16 CN 111783325 A 1.一种采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法， 其特征在于： 包括如 下步骤： (1)利用等效梁格法制作冷却塔气弹模型； (2)在梁格气弹模型的表面粘贴弹性轻质薄膜， 并在节点设置测压孔， 获得冷却塔气弹 测压模型； (3)利用动静态风荷载同步雷诺数效应模拟法在冷却塔气弹测压模型表面模拟雷诺数 效应。 2.根据权利要求1所述的采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型。

4、的制作方法， 其 特征在于： 所述步骤(1)中制作方法为： a、 利用壳体单元建立精细化冷却塔有限元模型， 并计算结构动力特性； b、 利用梁单元建立简化的冷却塔有限元模型； c、 将简化模型各个高度处子午向梁单元的宽度以及环向梁单元的厚度和宽度视作自 变量， 将精细化有限元模型的低阶动力特性作为目标函数， 通过对简化有限元模型的迭代 优化获得气弹模型梁格单元的具体尺寸； d、 选材制作冷却塔气弹模型。 3.根据权利要求2所述的采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法， 其 特征在于： 所述步骤(3)中模拟方法为： a、 在模型的表面沿竖向粘贴粗糙带， 通过改变来流风速和粗糙带厚度获得。

5、雷诺数效应 模拟工况； b、 通过对比实测冷却塔表面平均风压分布与各种雷诺数效应模拟工况的平均风压分 布曲线， 选取雷诺数效应模拟工况候选组； c、 通过对比实测塔表脉动风压分布与候选组中各种工况的脉动风压分布曲线， 选取一 种最优雷诺数效应模拟工况。 4.根据权利要求2所述的采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法， 其 特征在于： 所述选材的材料为镀锌薄钢片。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111783325 A 2 采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法 技术领域 0001 本发明涉及冷却塔气弹测压模型的制作方法， 特别涉及采用雷诺数效应模拟的冷 却塔气弹测压模型的。

6、制作方法。 背景技术 0002 作为一种空间薄壁结构， 风荷载在冷却塔的设计中是一个重要的控制因素。 历史 上发生过一些冷却塔风毁事故， 引起了各方关注。 为了保障强风作用下结构的安全性， 大型 冷却塔的结构设计通常基于抗风设计开展， 现场实测、 数值模拟和风洞试验是冷却塔抗风 设计的三种手段。 其中， 现场实测费事、 费力， 且往往无法获得完整的风荷载信息； 数值模拟 基于对真实物理现象的简化和假设， 准确性通常较低。 因此， 风洞试验成为当前冷却塔抗风 设计的最主要手段。 0003 测压试验是最基本的结构风洞试验， 冷却塔结构设计人员往往直接使用测压试验 获得的塔表风荷载进行结构设计。 然。

7、而， 当前有两个问题直接影响了冷却塔测压试验的可 靠性： 首先， 传统测压试验所使用的模型为刚性模型， 无法考虑结构自身振动引起的气动自 激力效应， 而有工程人员发现冷却塔结构的气动自激力效应通常比较显著， 忽视气动自激 力会导致试验结果偏不安全。 其次， 风洞试验的绕流雷诺数较实际情况低约两个数量级， 若 无视这一问题， 冷却塔测压风洞试验结果会严重偏离真实值。 为了解决这一问题， 试验人员 借助于在模型表面沿竖向粘贴粗糙带的方法， 使得模型表面的静态风效应趋近于真实结 果， 该方法被称为雷诺数效应模拟。 然而， 传统的雷诺数效应模拟方法仅仅关注静态风效应 模拟的准确性， 忽视了对于真实动态。

8、风效应的模拟。 若要通过风洞试验准确同步再现真实 的冷却塔表面动静态绕流特征， 必须解决好上述两个技术问题。 发明内容 0004 发明目的： 本发明目的是提供采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作 方法。 0005 技术方案： 本发明提供采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型的制作方法， 包括如下步骤： 0006 (1)利用等效梁格法制作冷却塔气弹模型； 0007 (2)在梁格气弹模型的表面粘贴弹性轻质薄膜， 并在节点设置测压孔， 获得冷却塔 气弹测压模型； 0008 (3)利用动静态风荷载同步雷诺数效应模拟法在冷却塔气弹测压模型表面模拟雷 诺数效应。 0009 进一步地， 所述步骤(1。

9、)中制作方法为： 0010 a、 利用壳体单元建立精细化冷却塔有限元模型， 并计算结构动力特性； 0011 b、 利用梁单元建立简化的冷却塔有限元模型； 0012 c、 将简化模型各个高度处子午向梁单元的宽度以及环向梁单元的厚度和宽度视 说明书 1/3 页 3 CN 111783325 A 3 作自变量， 将精细化有限元模型的低阶动力特性作为目标函数， 通过对简化有限元模型的 迭代优化获得气弹模型梁格单元的具体尺寸； 0013 d、 选材制作冷却塔气弹模型。 0014 进一步地， 所述步骤(3)中模拟方法为： 0015 a、 在模型的表面沿竖向粘贴粗糙带， 通过改变来流风速和粗糙带厚度获得雷诺。

10、数 效应模拟工况； 0016 b、 通过对比实测冷却塔表面平均风压分布与各种雷诺数效应模拟工况的平均风 压分布曲线， 选取雷诺数效应模拟工况候选组； 0017 c、 通过对比实测塔表脉动风压分布与候选组中各种工况的脉动风压分布曲线， 选 取一种最优雷诺数效应模拟工况。 0018 进一步地， 所述选材的材料为镀锌薄钢片。 0019 有益效果： 本发明通过制作冷却塔气弹测压模型， 使得冷却塔测压试验准确考虑 了结构气动自激力效应； 通过使用动静态风荷载同步雷诺数效应模拟法， 在风洞试验中准 确再现真实的冷却塔表面动静态绕流特征。 本发明方法高效、 准确。 附图说明 0020 图1为本发明实施例中基。

11、于等效梁格法制作的冷却塔气弹模型图； 0021 图2为本发明实施例中制作的冷却塔气弹测压模型图； 0022 图3为本发明实施例中各种粗糙带厚度工况的相关参数示意图； 0023 图4为本发明实施例中基于32种雷诺数效应模拟工况获取的模型表面平均、 脉动 风压分布曲线图， 其中(a)图为平均风压分布图， (b)图为脉动风压分布图； 0024 图5为本发明实施例中基于雷诺数效应模拟候选组中的5种工况获取的模型表面 平均、 脉动风压分布曲线及实测结果图， 其中(a)图为平均风压分布图， (b)图为脉动风压分 布图； 0025 图6为本发明实施例中基于最优雷诺数效应模拟工况获取的模型表面平均、 脉动 风。

12、压分布曲线及实测结果图， 其中(a)图为平均风压分布图， (b)图为脉动风压分布图。 具体实施方式 0026 本实施例的采用雷诺数效应模拟的冷却塔气弹测压模型， 包括以下步骤： 0027 (1)利用等效梁格法制作冷却塔气弹模型， 具体方法如下： 0028 首先， 冷却塔塔筒壳单元精细化建模， 对本例子午向壳单元数目： M132， 环向壳 单元数目： N144。 0029 其次， 利用空间梁单元建模， 子午向梁单元数目为m13， 环向梁单元数目为n 36， 最大可调节单元尺寸数为2(2m+1)n1944， 考虑到冷却塔结构的环向对称性， 简化为子 午向厚度和宽度变量为Dver， i， Wver，。

13、 i(i1， m)， 环向厚度和宽度变量为Dcir， j， Wcir， j(j1， m+ 1)， 变量数目缩减为4m+254。 0030 第三， 考虑模型方便加工性能， 子午向梁格单元采用通长等厚度构件， Dver， i简化为 单一变量X0， 由冷却塔简体抗弯刚度和轴向刚度缩尺要求， 计算简体不同高度单位尺寸抗 弯和轴向缩尺刚度常量矩阵Cbending， i， Caxial， i(i1， m)。 假定冷却塔模型构件尺寸与缩尺刚 说明书 2/3 页 4 CN 111783325 A 4 度满足线性组合条件： 0031 Dver， iX0E1m (1) 0032 0033 式中， X0X6为待优化。

14、识别的系数； E1m为制作模型所用材料的弹性模量； Cbending， i， Caxial， i分别为i高度处单位尺寸宽度壳体的抗弯和轴向缩尺刚度。 0034 基于式(1)和式(2)， 变量数目进一步简化为67个。 以冷却塔壳单元建模动力特 性结果为依据， 取前8阶模态为模拟目标， 给定X1X6初值， 通过迭代优化调整变量取值， 获 得气弹模型梁格单元的具体尺寸。 0035 最终， 以镀锌薄钢片为材料制作气弹模型， 标准型材厚度为0.1mm增量， 厚度介于 0.11.0mm， 宽度方向采用线切割方式， 加工尺寸精度为0.01mm。 制作好的冷却塔气弹模型 以图形显示为图1。 0036 (2)在。

15、梁格气弹模型的表面粘贴弹性轻质薄膜， 并在梁格节点处设置36个(环向) 12个(子午向)测压孔， 获得冷却塔气弹测压模型。 制作好的冷却塔气弹测压模型以图形 显示为图2。 0037 (3)利用动静态风荷载雷诺数效应同步模拟法在冷却塔气弹测压模型表面模拟雷 诺数效应， 具体包括： 0038 首先， 在冷却塔气弹测压模型的表面沿竖向均匀粘贴36条粗糙带， 通过设置4种来 流风速(6m/s， 8m/s， 10m/s， 12m/s)和8种粗糙带厚度(各种粗糙带厚度工况的详细参数由表 1给出)获得32种雷诺数效应模拟工况。 32种雷诺数效应模拟工况下获取的模型表面平均、 脉动风压分布曲线以图形显示为图4。

16、。 0039 表1各种粗糙带厚度工况的详细参数 0040 0041 其次， 对比实测冷却塔表面平均风压分布与32种雷诺数效应模拟工况的平均风压 分布曲线， 选取二者高度一致的5种雷诺数效应模拟工况为雷诺数效应模拟工况候选组， 包 括三层纸带+12m/s风速工况， 四层纸带+6m/s风速工况， 四层纸带+8m/s风速工况， 四层纸带 +10m/s风速工况， 四层纸带+12m/s风速工况。 基于雷诺数效应模拟工况候选组中的5种工况 获取的模型表面平均、 脉动风压分布曲线及实测结果以图形显示为图5。 0042 最终， 通过对比实测塔表脉动风压分布与雷诺数效应模拟工况候选组中的5种工 况的脉动风压分布曲线， 选取最优雷诺数效应模拟工况为四层纸带+10m/s风速工况。 基于 最优雷诺数效应模拟工况获取的模型表面平均、 脉动风压分布曲线及实测结果以图形显示 为图6。 说明书 3/3 页 5 CN 111783325 A 5 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 6 CN 111783325 A 6 图4 图5 说明书附图 2/3 页 7 CN 111783325 A 7 图6 说明书附图 3/3 页 8 CN 111783325 A 8 。