逆流式自然通风冷却塔3D计算方面的问题.doc

自然通风逆流式冷却塔的三维热力计算模型赵顺安 1、李陆军 1、刘志刚 2、冯璟 2（1、中国水利水电科学研究院，北京，100038；2、华北电力设计院，北京，100012 ）摘要：本文采用 FLUENT软件，利用其 UDF模型，将焓差法计算模型嵌入到离散离子模型内，建立起了湿式冷却塔的三维数值计算模型，使三维数值模拟计算与现行的冷却塔设计研究方法接轨，经过与实测结果对比，结果吻合良好，可供冷却塔设计优化与研究参考关键词：湿式冷却塔 FLUENT 离散离子模型 三维 数值模拟1、 引言自然通风逆流式冷却塔是火/核电循环水系统的重要设备，它是汽轮机的泛汽冷凝的冷端它是依靠塔内外的空气密度差来推动空气流动将循环水的热量带向大气的，塔内气流流动严格地讲是完全三维流动，在无自然风时可以准确地处理为轴对称的二维流动但有自然风时塔内流场不能按二维处理，为了解塔内布置的细部优化，如：配水槽对塔的热力特性影响、配水非均匀时不同的淋水密度区并非圆形，按二维流动处理将会有误差，因此，研究自然通风逆流式冷却塔三维数值模拟具有重要理论和工程意义英国著名计算流体力学学家 Splding早在 1980年代就对自然通风逆流式冷却塔进行过三维数值模拟计算研究，他是采用了焓差模型自行编制计算程序。

国内二维数值模拟计算也于 1980年代起步，现在已经成熟地用于冷却塔的工程设计湿式冷却塔的三维数值模拟计算是在 2010年代后期开始的，主要有北京大学、山东大学和华北电力大学等单位开展的学生论文工作，这些工作的一个共同点是均以 Fluent 软件为基础由于 Fluent软件是一个通用的流体计算软件，并非是冷却塔的专用软件，所以，要进行冷却塔的模拟计算，就须建立与软件能接合的换热与阻力的模型我国工程设计中所使用的焓差模型无法直接用于 Fluent软件，三家单位各自参考国外文献建立的冷却塔的热力阻力模型，拓展了Fluent流体计算软件应用于范围，对冷却塔的特性进行了有益探索，但是与工程设计并统一本文在研究了 Fluent软件特点的基础上，建立起了 Fluent软件的离散粒子模型、多孔介质模型与焓差模型对接关系，实现了将国内的冷却塔的设计试验标准、试验数据、计算模型与 Fluent软件相结合，并通过 UDF来实现经过与邹县 12000㎡工程冷却塔的实测对比，吻合良好，可供冷却塔的工程优化设计和研究参考2、 数学模型2.1空气流场控制方程自 然 通 风 逆 流 式 冷 却 塔 在 机 组 负 荷 、 气 象 条 件 及 循 环 水 量 稳 定 运 行 时 ， 塔 内 外 空 气 流 场可 以 按 三 维 稳 态 计 算 。

空 气 流 场 的 通 用 控 制 方 程 可 表 示 如 下 : 连 续 方 程 ： (1)mSV)(动量方程： (2)Fgp)()(能量方程： (3) SJTVh)(气体状态方程： (4)jjwMYRTp,K方程： (5)bKKt GV)(方程：(6)kCkCbt211)(  组分输运方程：（7）jjj SJYv)(式（1）中 为密度， 为速度矢量式（2）中 为应力， I为单位矢量 ， p为压强，g 为V重力加速度， 为侧体力（例如粒子项） ，此外：FIVTt 32为湍流粘性系数，表达式如下：t，2KCt0.9K为湍流动能，为湍流动能耗散率式（ 3）中 为焓， 为湍流 Prandtl数，J j为 j组h分的扩散通量， Sh为源项， hj为组分 j的焓，且，jjpYYj为组分 j的质量分数。

Tjpjrefdch,为 j组分的定压比热系数， Tref为参考达尔文温度， T为当前达尔文温度式（4）中pc,R为气体常数， Mw， i为 i组分的分子量式（5）中 K为湍动能, 为气体动力粘性系数，为 K方程的湍流 Prandtl数，且 ，G k为平均速度梯度产生的湍流动能，G b 为k1.0k由浮力引起的湍流动能式（5）中 为 的湍流 Prandtl数， ，模型常数1.3， ，其中 分别为 方向速度1.92.41C、 23vuwth wvu、、 zyx、、分量式（7）中 Sj为 j组分的产生率湍 流 常 数 取 值 见 表 1表 1 湍 流 模 型 常 数C12C,kt1.44 1.92 0.09 1.0 1.3 0.9～ 1.02.2阻力模型填 料 阻 力 的 室 内 试 验 结 果 已 经 包 含 了 填 料 和 喷 淋 区 的 阻 力 ， 阻 力 实 测 数 据 一 般 表 示 为 ：(8)MpVA（9）zyxpq2（10）z式中 q为淋水密度(kg/(㎡·h))；V 为风速(m/s)；γ 为空气密度(N/m 3)；为试验常数。

zyxAzyxM,填料区可采用 Fluent的多孔介质模型，由式（8）～（10）可求出压力损失系数 K：（11）fapHVAK25.0（12）F1式 中 为填料高度（ m） 淋 雨 区 采 用 离 散 离 子 模 型 （ DPM模 型 ） ，fH（13）pxpDpguVdt)()(（14）24Re18pCF（15）e)(e4312bD空气受到的 x,y,z向阻力分别为：(16))(63pDpuVFduqF式中 为雨滴的阻力当量直径（m） ，由雨滴阻力试验结果给出； 为雨滴密度（kg/m 3） ，pd pq为淋水密度（kg/h㎡）, 为雨滴的速度矢量（m/s） p2.3 热质交换模型本项目采用 MERKEL模型，分析填料和雨区的热交换过程根据 MERKEL理论，单位体积内冷空气与热水之间的热交换量为:(17)hdVQxv"其中 Q为换热量， V为气相体积， 为体积散质系数， 为水温对应的饱和焓， 为空xv" h气的焓单位体积内热水的蒸发量：(18)XdVWxv"其中 W为热水蒸发量， V为气相体积， 为水温对应的饱和含湿量， 为气相内水蒸气的X"含湿量。

以 DPM模型为载体，分析计算单元体内的散热量和蒸发量，然后平均分配给每个粒子，从而从整体上保证每个单元体内的热量和蒸发量与实际情况相符雨滴在控制体内的散热量为：(19)tqsmhVtQxv其中 Q为热量， V为单元控制体的体积， v 为体积散质系数，m 为雨滴质量，q 为淋水密度，s 为控制体的底面积（面的法向为雨滴运动方向） ，t 为雨滴通过控制体的时间20)iisat其中 isat为水温对应的空气饱和焓21)hNqβχv其中 N为冷却数，h 为填料厚度或雨区高度等根据上述三个式，可知雨滴在控制体内的散热量可表示为：(22)ttQΔshmV因此雨滴单位时间内的温降为：(23)wwCsNT由上式可知，经过单元体后水温的变化与焓差、控制体体积和底面积有关，而没有涉及到雨滴的直径单元体内每个雨滴的单位时间内质量变化： （24）tt ΔsqmVβmχv（25）satΔ其中 sat为水温对应的湿空气饱和含湿量，为湿空气空气含湿量因此雨滴通过单元体后的质量变化为：（26）sqmΔVβχv单元体内湿空气的质量源为：（27）hSχvm单元体内湿空气的能量源焓值为：（28）ΔVβχvh雨区的热交换将雨滴简化为体积相等的刚性球，其表面积散质系数 计算式如下：F(29)ReDCpF514.0(30)48.09)273(PaCTD其中 为环境大气压， 为雨滴温度。

雨滴的散质系数为：apPT(31)hpFxvdVq6其中 q为淋水密度， dh为雨滴热力当量直径，与雨区高度、淋水密度及风速等因素有关，参考相关文献或者测试数据获得通过试验可给出雨区散质系数： (32)mrrhaN)(2321(33)qG(34)rxvh其中 N为冷却数， hr为雨区高度，m、a 1、a 2和 a3为试验获得系数，为汽水比填料区的散质系数与填料的材料、结构、尺寸和填料高度、淋水密度和冷却水温度有关通过填料测试试验，可获得填料的散质系数与冷却水淋水密度和气体流量经验公式35)mAN(36)hqfxv其中 A和 m为试验系数， hf为填料厚度2.4 边界条件在无自然风时研究区域范围设为 500m500m500m计算区域分为冷却塔内和外两个区域对于塔外区域的边界，底部为绝热边界，其他面的边界为压力出口边界塔壳的外壁设置成绝热边界当采用标准 -湍流模型时，还需设定 和的边界根据 UDF，将其边界设置为如下形式： 0n， 其中 n为边界面的法向塔内区域，塔壳的内壁边界条件为绝热墙壁进风口和塔的出口都设置成内部边界填料区域设置成多孔介质区域，且根据相关试验数据设定阻力系数。

喷淋区的顶端设置为雨滴发射面在雨滴射入设置中，设定淋水总量和水温以及初始速度3、 计算与验证3.1 基本工程情况介绍邹县电厂四期 1000MW机组发电工程配用一座 12000㎡逆流式自然通风冷却塔塔总高165.00m；冷却塔出口直径 80.08m；喉部直径 75.21m；进风口高 11.64m；风口上沿直径124.79m；进风口平均直径 129.00m淋水填料选用双向波，性能参数室内试验结果为：（24）67.0812N阻力试验给出阻力系数公式如下：（25）MaAvP其中： 728.0162.1057.44A982363.2 计算结果与验证计算网格如图 1～图 4示，图 5为雨滴下落迹线，图 6～图 11为其中一工况的塔内外的流场、温度等参数计算结果图 12给出雨滴下降过程中速度沿迹线分布，雨滴由于受到空气的阻力，其速度在增大到某个速度时，不再增大图 13给出了雨滴沿迹线的温度分布，雨滴的温度沿径向逐渐降低，如图 14计算所得的出塔水温与实测结果对比见表 2分析结果表明，三维数值模型分析结果与实测结果吻合良好图 1 整体网格透视图图 2外边界网格图图 3 塔体网格图图 4 填料处网格图图 5. 雨滴下落迹线图图 6. 中心面压强分布图图 7. 中心面温度分布图图 8. 中心面水蒸气质量分数分布图图 9.空气迹线图（塔外为 1/4）图 10. 中心面速度大小分布图图 11. 中心面速度矢量分布图图 12. 雨滴速度分布图 图 13. 水温沿迹线分布图图 14. 水池内水温在径向分布表 2 出塔水温数值模拟与实测对比大气压（100Pa）水量[t/h]空气质量分数湿空气密度（kg/m^3）干球温度（℃）湿球温度（℃）进塔水温（℃）实测出塔水温（℃）数值分析结果（℃）误差1002 77410 0.0152 1.14 29.91 25.26 42.56 30.17 30.17 0.001002 77410 0.0152 1.14 30.04 25.26 42.55 30.20 30.26 0.061002 77410 0.0156 1.14 29.06 25.31 42.65 30.22 29.89 -0.331002 77410 0.0158 1.14 28.77 25.37 42.64 30.21 29.85 -0.361002 77410 0.0154 1.14 29.30 25.25 42.65 30.21 29.93 -0.281002 77410 0.0154 1.14 29.44 25.25 42.45 30.17 29.96 。