冷卻塔為什么設計成雙曲線型?因為好用還便宜

點擊次數:   更新時間:22/07/30 10:31:07     來源:www.cnoscm.com關閉分    享:
  冷卻塔為什么設計成雙曲線型?因為好用還便宜。這個問題其實是很容易讓人迷惑的,因為各種因素交織在一起,其實中間隱含著幾個不同的問題:
  為什么冷卻塔的側面是曲面的?
  為什么這種曲面是雙曲面形狀的?
  為什么上面的開口小?
  為了分清其中因素的主次程度,我們得梳理一下。
  首先較早的冷卻塔是有各種形狀,如直筒和八邊形筒:
  而在Iterson在1915年發明了雙曲面型塔后,這種構型在熱電站中迅速流行,那么為什么會有這種轉變呢?答案是規模,隨著大型火核電站的出現而有了這種自然通風式雙曲面冷卻塔。
  這是一個關系鏈:1電站裝機增大——2需要建更大規模的冷卻塔——3冷卻能力受面積和高度的直接影響,因此冷卻塔要更高更大——4高大的圓筒狀結構很不穩定,即使建造出來成本也很高——5需要用經濟的手段建造大型冷卻塔。
  1和2不用解釋,過程3中需要一個公式,即冷卻的能力(單位面積抽力)只和冷卻塔的高度和內外氣體密度差有關,因此冷卻塔造得越來越高,現如今通常都在100米以上,而新造塔都超過了160米甚至出現很多超過200米的塔。
  這就造成了4中的問題,不管用混凝土還是鋼結構,200米高的直墻都是很不穩定的,要讓它承受風阻和變形就得加厚或者加大量鋼筋,一個塔會像摩天大樓一樣,成本無法接受。因此,在5中,我們得找一種經濟的手段讓冷卻塔成本降低,那就是殼狀曲面結構,也就是說曲率能夠產生強度。
  這是因為曲面的高斯曲率非0,大數學家高斯提出的“絕妙定理(TheoremaEgregium)”中可以推論:你可以隨意彎曲一個曲面,只要你不拉長、壓縮或者撕裂它,高斯曲率一定不會變。
  換言之,對于高斯曲率非0的結構,只有它被撕裂或超出材料承受能力時高斯曲率才會發生變化,因此曲面的結構強度和抗變形能力是非常強的。因此我們要將冷卻塔建造為曲面的形狀。這里要注意的是,圓柱形和錐形的結構其高斯曲率是0,也就是說可以用一個平面卷成圓柱或圓錐,因此其強度是不如其它曲面的。
  由左至右:負高斯曲率曲面(雙曲面),零高斯曲率曲面(圓柱面),和正高斯曲率曲面(球面)。
  所有的薄殼曲面結構都具有高強度和節省材料的特點,也有其他形狀和材料的冷卻塔,對于結構的探索是永無止境的。
  目前典型的大型冷卻塔大約高150m,底部直徑大約是150m,就是說,它的底部可以容納一個足球場.然而它的厚度卻很薄,較薄處只有20cm.如果將冷卻塔成比例地縮小到雞蛋殼直徑大小,則它比雞蛋殼還要薄,僅及雞蛋殼厚度的1/5。
  那么為什么雙曲面的結構更加經濟呢?
  首先,根據冷卻塔的結構可以看到,中間收窄的設計使得在同樣的淋水面積下,進風口面積可以更大,有助于增加風量。因此這個曲面應該是內彎的(負高斯曲率)。
  很多答案中提到雙曲面相對更省材料,有個答案中說:
  圖中冷卻塔的造型是一個雙曲面。在已知底面和頂面是圓形的情況下算連續連接面的較小表面積,解方程會發現連接面是雙曲函數旋轉面。因此冷卻塔設計為雙曲面形狀帶來的較大好處是:
  同等冷卻能力下(同樣大小的底面和頂面,同樣高度,同樣的冷卻介質共同決定了同等的較大冷卻能力)建塔時用的材料較少。(可以近似認為壁厚一定的情況下材料用量正比于表面積)
  這其實是錯誤的,連續連接面的較小表面積是一種"較小曲面"問題,德國數學家歐拉在1744年的論文中作了解答,"懸鏈曲面"才是那種有較小表面積的旋轉曲面,懸鏈曲面是懸鏈線繞其準線旋轉所得。
  而雙曲面是雙曲線繞準線生成的(還可以是直線繞不共面的一條準線生成),因此兩種曲面看上去形狀相近,但卻是完全不同的。
  雙曲面經濟性的原因不是因為較為節省材料,而是因為其建造方式,雙曲面是一種直紋曲面,是由一條直線通過連續運動構成,這是它很重要的幾何性質。因此鋼筋在布置時不需要彎曲,即將其平行于空間斜向直線即可。
影音先锋色_影音先锋无码AV资源网站_影音先锋女人AV鲁色资源网