子午线型对冷却塔结构特性和抗风性能的影响机理

在前期工作的基础上，首先以一座代表性冷却塔为例，通过线型方程的参数调整获得五组线型，独立分析塔筒上下缘直线段、喉部以上线型、下缘倾角、喉部高度和整体半径对结构在多种荷载下受力性能的影响，并通过结构设计评价各参数对塔筒材料用量的影响。另外，上述参数对结构基频和稳定性的影响也进行了分析，并结合结构振型解释了线型对基频的影响机理。通过上述研究揭示了子午线型尤其是线型斜率/曲率对结构特性的影响机理，提出了以塔筒配筋量为指标的子午线型优化方法并对子午线型的构造方法提出了一定要求。同时，为便于将配筋量作为优化目标，还根据冷却塔的受力特性提出了一种简化且可靠的配筋计算方法，从而可以在结构配筋计算时避免繁复的多风向组合。在动力范畴，在风洞试验的基础上对冷却塔的风振效应也进行了系统研究，详细分析了各响应的环向和子午向分布特征以及各响应背景和共振分量在总脉动响应中的权重，并综合各响应的时程特征、塔筒结构特性及配筋设计原则，将塔筒各响应的阵风响应因子从环向和子午向的二维分布简化为分别针对环向和子午向配筋设计的两个独立数值并作为结构设计的风振系数。在此过程中，还提出了在响应时程中准确分离背景和共振分量的方法并进行了验证。另外，对结构风振响应的各个影响因素如结构基频、阻尼、风速、子午向相关性等进行了全面分析，明确了各自对对共振效应的影响规律并给出了拟合表达式。结果表明，在基频大于0.7Hz时，结构的共振效应并不明显，而在整体双曲线型控制下，子午线型变化对结构基频的影响较为有限，故而线型对结构风振效应的影响亦非常有限。在极限承载力方面，已经建立了考虑塔筒钢筋混凝土材料非线性的有限元计算模型并得到了初步的结果，塔筒在破坏前的非线性效应极弱，而一旦局部混凝土开裂后，结构刚度急剧下降且位移急剧增加，从而造成计算终止，但此时钢筋仍未屈服。受时间所限，后续仍将继续展开极限承载力方面的研究。 2100433B

双曲冷却塔的子午线型对结构特性和抗风性能存在显著影响，不合理的子午线型也被认为是渡桥电厂风毁事故的原因之一。线型对结构特性和抗风性能的影响形式已有零星发现，但并不系统全面，对影响机理还没有明确认识，阻碍了冷却塔线型设计和优化工作的开展，亦不利于我国当前高涨的建设实践。本项目拟通过数值计算，对比分析子午线型参数对结构特性的具体影响形式和关键影响因素，包括其力学行为模式、动力特性、稳定性以及整体和局部刚度特征等；借助板壳结构力学理论分析，明确线型参数对结构特性的影响机理。以此为基础上升到冷却塔抗风性能的两个关键问题，风振响应和极限承载能力：经刚体和气弹模型风洞试验和风致动力响应分析，考虑线型和动力参数，揭示子午线型对风振响应的影响规律；通过数值仿真模拟，分析子午线型对风荷载极限承载能力和破坏模式的影响；并将两者结合展开针对在役非完善结构的风振响应研究。最终结合实际设计过程探究线型优化策略。

19世纪中叶，人们在煤矿开发过程中首次提出冷却塔的概念。

20世纪初，世界上最早的钢筋混凝土冷却塔由时任荷兰国家矿产部的学者Frederik Van Iterson提出。

1918年，经过Iterson的不懈努力，其提出的双曲线旋转薄壳冷却塔终于成为了现实。

英国最早使用这种冷却塔。20世纪30年代以来在各国广泛应用，40年代在中国东北抚顺电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷却塔群。

运用统计相关和奇异值分解方法，系统地考察了非绝热加热对大气局地扰动位能的响特征和机理问题。分析结果表明，热带地区海表温度异常和扰动位能的耦合相关特征与厄尔尼诺和南方涛动变率的关系密切，扰动位能在热带外地区的耦合模态空间型呈现出与北太平洋—北美大气遥相关型极为相似的分布特征。

位能表面温度与扰动位能的相关关系

海表温度异常对于大气系统热力动力过程的影响是知道的，同样作为下垫面边界条件，陆面温度的异常变化也必然会对大气局部能量有效性造成影响。因此，在对SST场异常以及特征指数与大气扰动位能相关关系进行分析基础上，这里简要考察表面温度（SurfaceAirTemperature，SAT）与扰动位能的局地单点相关关系。

扰动位能和表面温度的点对点局地相关系数分布情况。可以看出，全球各个格点在四个季节PPE和SAT的相关系数均大于0，呈现正相关特征，相关不显著区域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及热带地区，而月份则分布在北太平洋和北大西洋海区以及热带和南极附近；春秋过渡季节阴影区显著减小，主要集中于热带，但春季4月份南极大陆几乎都未通过严格的显著性检验。总体来看，陆面温度和扰动位能的相关要好于海面。

扰动位能反映的是局地能量的有效性，它与局地温度相对于全球平均的偏差有关，因而，表面温度与局地扰动位能的显著相关是容易理解的，这也反映出两者变化具有一致性。当然，在不同季节也会出现相关相对较弱的个别区域，这些情况可能与其它未知因素有关。

位能热带地区Q1和扰动位能的SVD分析

在单点相关分析基础上，进一步以Q₁为左场，以大气扰动位能为右场进行了SVD场相关分析，并按照热带地区Q₁和扰动位能之间，以及北半球热带外Q₁和扰动位能之间两种情况来分别开展研究。

首先，以冬季热带地区的视热源Q₁为左场，以该地区整层积分的扰动位能为右场进行SVD分析，其目的是考察低纬以潜热为主的非绝热加热率与局地能量有效性的相关关系。第一模态解释两个场之间的总协方差平方和的62.18%，能够代表两个场耦合变化型的主要特征，解释Q₁方差的27.02%，解释整层扰动位能方差的7.03%，两个场的耦合变化型显然在Q₁场中占较大的方差比例。第二耦合模态的方差贡献则远不及第一模态，其仍在Q₁场中的贡献很大。大部分耦合模态左右场展开时间系数之间的相关可达0.7以上，通过了99.9%的信度检验。

最近在中国的浙江省宁海国华电厂推出了海水冷却塔，使电厂的余热不排入大海而对海洋生态产生影响。有些电厂采用强制通风的空气冷却凝汽器就不需要再采用该建筑了。