Study of Wind Loads on Free-Standing and Closely Spaced Hyperbolic Cooling Towers

Introduction. The construction of cooling towers has always been and remains a pressing issue in today's world. Wide spreading of cooling towers is necessary for power industry. The problem lies in the allowable location of a set of hyperbolic cooling towers at a premises of a single fuel-and-energy facility. The aim of the present study is to investigate the wind pressure distribution on a cooling tower having the shape of a single-cavity hyperboloid of rotation and the cross-interference of the closely spaced cooling towers. To achieve the set forth aim the following objectives are being solved: the finite-element modeling of a free-standing and several closely spaced structures, the analysis of the wind pressure isofields at different elevations and the comparison of the results with the currently valid standards.
Materials and methods. The object of the study is the hyperboloid type cooling towers of total height 53.3 m. The analysis is carried out with the help of the three-dimensional finite-element modeling in the CFX module of the verified ANSYS software package. The k-epsilon turbulence model is used. For simplification, the wind speed is assumed constant along the structure’s height. The shells in the shape of a single-cavity hyperboloid including the airspace are specified by a parametric equation, which is modeled by using the solid finite elements in the form of tetrahedrons. The surface of the shells is assumed to be perfectly smooth. Besides finite-element analysis, the calculation of the interference factor is made according to the standards currently valid for reinforced concrete cooling towers.
Results. The results of wind pressure distribution on free-standing and closely spaced cooling towers were obtained. The data on the wind pressure isofields at various elevations at various locations of tower structures was given.
Discussion and conclusions. Upon comparing the obtained results with the currently valid SP 20.13330.2016 «Loads and actions» and SP 340.1325800.2017 «Reinforced concrete and concrete structures of cooling towers. Design rules» it was found that the distribution of wind pressure along circumference depends on the height, which had not been taken into account in the regulatory documentation. The analysis of cross-interference of the closely spaced cooling towers was carried out and it was demonstrated that in the currently valid standards the interference factor had been greatly overestimated.

1. Осипов, С. Н. Использование воздушных прослоек в ограждениях зданий для энергосбережения при кондиционировании воздуха/ С. Н. Осипов, С. Л. Данилевский, А. В. Захаренко // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. — 2017. — № 5. — С. 470–483. — DOI: 10.21122/1029-7448-2017-60-5-470-483

2. Трушин, С. И. Влияние физической нелинейности на расчётные показатели устойчивости гибких сетчатых однополостных гиперболоидов вращения с образующими различных форм / С. И. Трушин, Ф. И. Петренко // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. —2017. — № 4. — С. 50–56. — DOI: 10.22363/1815-5235-2017-4-50-56

3. Сальков, Н. А. Общие принципы задания линейчатых поверхностей. Часть 2. / Н. А. Сальков // Геометрия и графика. — 2019. — Т. 7. — № 1. — С. 14–27. — DOI: 10.12737/article_5c9201eb1c5f06.47425839

4. Щербакова, М. А Обеспечение энергетической и экологической безопасности при модернизации предприятий теплоэнергетики / М. А. Щербакова, Л. И. Осадчая, Л. А. Ничкова // Экономика строительства и природопользования. — 2021. — № 3 (80). — С. 13–18. — DOI: 10.37279/2519-4453-2021-3-13-18

5. Гусев, В. П. Оценка шумового воздействия развитой по мощности ТЭЦ на жилую застройку / А. И. Антонов, В. И. Леденев, И. В. Матвеева // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии — 2021. — Т. 2 (34). — С. 123–137. — DOI: 10.21869/2311-1518-2021-34-2-123-137

6. Немировский, Ю. В. Термонапряженное состояние многослойного полиармированного однополостного гиперболоида вращения / Ю. В. Немировский, А. И. Бабин, Е. А. Сальский // Научный вестник НГТ. — 2016. — № 3 (64). — С. 106–116. — DOI: 10.17212/1814-1196-2016-3-106-116

7. Бакулин, В. Н. Блочная конечно–элементная модель для послойного анализа напряжённо-деформированного состояния трехслойных оболочек с нерегулярной структурой / В. Н. Бакулин // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. — 2018. — № 4. — С. 66–73. — DOI: 10.31857/S057232990000701-1

8. Сивак, С. А. Комбинированный векторный метод конечных и граничных элементов для задачи распространения электромагнитного поля с учетом вихревых токов / С. А. Сивак, И. М. Ступаков, Н. С. Кондратьева // Научный вестник НГТУ. — 2018. — Т. 73. — № 4. — С. 79–90. — DOI: 10.17212/1814-1196-2018-4-79-90

9. Моделирование процессов теплообмена внутри герметичного корпуса бинс в мультифизичной постановке в ansys cfx и system coupling / А. А. Медельцев, П. А. Шаповалов, М. В. Воронов [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2022. — № 1 (225). — С. 140–152. — DOI: 10.18522/2311-3103-2022-1-140-152

10. Numerical simulation of cavitation surge and vortical flows in a diffuser with swirling flow / B. Ji, J. Wang, X. Luo, [et. al.] // Journal of Mechanical Science and Technology. — 2016. — Vol. 30. — Pp. 2507–2514. — DOI: 10/1007/s12206-016-0511-0

11. Манеев, А. П. Влияние ветра на фильтрацию газов через оболочку дымовых труб / А. П. Манеев, М. И. Низовцев, В. И. Терехов // Теплоэнергетика. — 2013. — № 4. — С. 20–26. — DOI: 10.1134/S0040363613040061

12. Газаров, А. Р. Исследование возможности применения компьютерных программ и решений для анализа и обработки параметров аэродинамики сооружений / А. Р. Газаров //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2022. — № 3. — С. 236–239. — DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-236-239

13. Кузнецов, В. С. Усилия в зданиях призматической формы при различном распределении ветрового воздействия / В. С. Кузнецов, А. А. Шурушкин //Теория инженерных сооружений. Строительные конструкции. — 2021. — № 5. — С. 31–39. — DOI: 10.33979/2073-7416-2021-97-5-31-39

14. Лампси, Б. Б. Численное и физическое моделирование ветровых потоков на большепролетное покрытие / Б. Б. Лампси, С. С. Шилов, П. А. Хазов // Вестник МГСУ. — 2022. — Т. 17. — № 1. — С. 21–31. — DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.21-31

15. Иноземцева, О. В. Устойчивость против опрокидывания в практике проектирования высотных зданий/ О. В. Иноземцева, В. К. Иноземцев, Г. Р. Муртазина // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2021. — Т. 17. — № 3. — С. 228–247. — DOI: 10.22363/1815-5235-2021-17-3-228-247