毋飛翔，趙順安

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔塔群布置優(yōu)化數(shù)值模擬研究

毋飛翔，趙順安

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

冷卻塔回流和干擾將影響冷卻塔的熱力特性。本文利用流體計(jì)算軟件FLUENT建立了單塔及塔群不同布置方式的三維數(shù)值模型。通過(guò)計(jì)算，得出了無(wú)自然風(fēng)情況下，單塔不同塔型自身回流率的變化；有自然風(fēng)時(shí)，不同風(fēng)速風(fēng)向?qū)鋮s塔回流率的影響；冷卻塔單排布置時(shí)，不同風(fēng)速風(fēng)向及塔排長(zhǎng)度對(duì)塔群平均回流率的影響；冷卻塔多排布置時(shí)，不同風(fēng)速風(fēng)向及塔排間距對(duì)塔群回流率及塔排間的干擾的影響。結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：機(jī)械通風(fēng)冷卻塔；塔排布置方式；自然風(fēng)；回流率

1 研究背景

機(jī)力塔往往需要多排布置，當(dāng)冷卻塔布置間距過(guò)小會(huì)造成冷卻塔進(jìn)塔氣溫升高，從而降低它們的冷卻效果。如果在冷卻塔熱力計(jì)算時(shí)，不對(duì)進(jìn)氣條件加以修正將導(dǎo)致計(jì)算出塔水溫偏低［1-4］。因此，有必要對(duì)冷卻塔的布置方式及其間距進(jìn)行研究，以降低由于布置不當(dāng)引起的不利影響。

雖然針對(duì)冷卻塔塔群布置也有一些相關(guān)的研究，但都是應(yīng)用于具體的工程，沒(méi)有普遍意義［5-7］。為系統(tǒng)的了解單塔不同塔型、塔群不同布置方式及不同風(fēng)速風(fēng)向?qū)λ夯亓髀实挠绊?，本文?yīng)用流體計(jì)算軟件FLUENT建立了單塔及塔群不同布置方式的三維數(shù)值模型，并添加不同的風(fēng)速風(fēng)向?qū)ζ溥M(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［8-11］。計(jì)算結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 空氣流場(chǎng)控制方程 冷卻塔內(nèi)外流場(chǎng)為不可壓流動(dòng)，其控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，并選用k-ε雙方程湍流模式對(duì)方程進(jìn)行封閉，各方程分別表示如下：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

k方程：

ε方程：

式中： ρ為密度，kg/m3；為速度矢量，m/s；為應(yīng)力，kg/m2； p為壓強(qiáng)，Pa；g為重力加速度，m/s2；為側(cè)體力，kg/m2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m/s； k為湍動(dòng)能； h為焓，J/kg；σ為Prandtl數(shù)；hj為 j組分的焓，J/kg；Sh為源項(xiàng)； μ為空氣的動(dòng)力黏性系數(shù)，kg/（m2·s）；σk為k方程的湍流Prandtl數(shù)；σε為ε的湍流Prandtl數(shù)； μt為湍流黏性系數(shù)，N/（s·m2）；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；Gb為由浮力引起的湍流動(dòng)能； Cμ，C1ε，C2ε，Ck，Cε為湍流模型常數(shù)，取值見(jiàn)表1。

表1 湍流模型常數(shù)

2.2 邊界條件 根據(jù)研究對(duì)象冷卻塔，可將整個(gè)計(jì)算域分為塔內(nèi)和塔外兩部分。對(duì)于塔外區(qū)域邊界：在無(wú)風(fēng)時(shí)，四周及頂部設(shè)為壓力出口邊界，有風(fēng)時(shí)，通過(guò)編寫(xiě)UDF將風(fēng)速添加到進(jìn)風(fēng)面，其余各面保持為壓力出口邊界；底部設(shè)為固壁無(wú)滑移邊界；冷卻塔塔殼采用固壁邊界條件。塔內(nèi)區(qū)域：冷卻塔進(jìn)風(fēng)口及出口都設(shè)置成內(nèi)部邊界；填料部分添加熱量源項(xiàng)，塔內(nèi)外溫差設(shè)為10 K（環(huán)境溫度305 K，塔內(nèi)溫度315 K）。

2.3 冷卻塔回流率計(jì)算 濕熱空氣對(duì)冷卻塔的影響分為回流和干擾兩部分［5-6］。回流是指從冷卻塔排出的濕熱空氣一部分重新回到了本塔的進(jìn)風(fēng)口中，如圖1所示；干擾是指進(jìn)入冷卻塔的空氣中混摻了來(lái)自其他塔的濕熱空氣，如圖2所示。

圖1 冷卻塔回流

圖2 冷卻塔干擾

當(dāng)冷卻塔多格組合布置時(shí)，回流和干擾經(jīng)常是同時(shí)存在的。這兩者將影響冷卻塔周?chē)臍庀髼l件，降低冷卻塔的換熱效率?；亓髀蔙c一般定義為從風(fēng)筒排除的濕熱氣流被吸入進(jìn)風(fēng)口的比例，可用如下公式計(jì)算：

式中：t1為進(jìn)風(fēng)口平均溫度，℃；t2為出風(fēng)口平均溫度，℃；t0為大氣環(huán)境溫度，℃。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔單塔不同的塔型尺寸、單排塔的冷卻塔數(shù)量、多排塔塔排間距以及不同環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向都會(huì)影響冷卻塔的進(jìn)氣條件，引起回流及干擾，降低冷卻塔的冷卻效率。本文應(yīng)用流體計(jì)算軟件FLUENT分別建立如圖3所示的各種布置方案的數(shù)值模型，通過(guò)添加不同風(fēng)速風(fēng)向，研究以上各布置方式對(duì)單塔及塔群回流率的影響，提出合理的塔群布置方式。

3.1 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格是離散的基礎(chǔ)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是離散化的物理量的存儲(chǔ)位置，網(wǎng)格在離散過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用［8-9］。本文采用四面體網(wǎng)格建立三維模型，單塔計(jì)算工況條件下計(jì)算域取98m×98 m×100m，塔群計(jì)算工況條件下計(jì)算域取500 m×500 m×200m。網(wǎng)格數(shù)量在73萬(wàn)～121萬(wàn)之間，最小單元體積為1.72×10-2m3。

圖3 機(jī)械通風(fēng)冷卻塔布置方案

3.2 單塔不同塔型對(duì)回流率的影響 通過(guò)查閱大量的冷卻塔相關(guān)資料，總結(jié)出了常見(jiàn)的冷卻塔塔型，其出風(fēng)口風(fēng)速與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速之比v1v2在1.87～3.63之間。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可以看出，在沒(méi)有自然風(fēng)的條件下，單個(gè)塔基本不產(chǎn)生回流。

表2 進(jìn)出口風(fēng)速之比對(duì)冷卻塔回流率的影響

3.3 單排布置時(shí)塔排長(zhǎng)度對(duì)塔群回流率的影響 冷卻塔單排布置，依次增加塔排長(zhǎng)度，添加垂直于塔排長(zhǎng)軸的風(fēng)速。將計(jì)算結(jié)果匯總于圖4。從圖4可以總結(jié)出，塔群平均回流率隨風(fēng)速的增大，先增大再減小，當(dāng)風(fēng)速在9～15 m/s之間存在峰值，這是由于風(fēng)速在9～15m/s時(shí)，會(huì)在塔群下風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，從而引起較大的回流率；隨著塔排長(zhǎng)度的增大，塔群平均回流率逐漸增大，當(dāng)塔排長(zhǎng)度與塔寬之比大于5時(shí)，回流率變化減小。

3.4 單排布置時(shí)塔排間距對(duì)塔群回流率的影響 保證兩座冷卻塔塔排長(zhǎng)軸布置在同一條直線上，每排塔長(zhǎng)寬比取5∶1，自然風(fēng)速與塔出口風(fēng)速之比VfV0在0.30～2.02之間，風(fēng)向垂直于塔排長(zhǎng)軸，依次調(diào)整塔排的間距。圖5為塔排間距對(duì)塔群平均回流率的影響。結(jié)果表明，隨著塔排間距的增大，塔群平均回流率逐漸減小，當(dāng)塔排間距與塔寬之比大于1后，塔群平均回流率變化已經(jīng)很小，當(dāng)大于2時(shí)，回流率基本不變。因此，從這個(gè)角度來(lái)看，冷卻塔塔排單排布置時(shí)，其間距應(yīng)不小于1倍的塔寬。

3.5 多排布置時(shí)塔排間距對(duì)塔群回流率的影響 當(dāng)塔排長(zhǎng)軸不在同一條直線上且相互平行布置時(shí)，取每排塔長(zhǎng)寬比為5∶1，分別計(jì)算兩排及三排塔平行布置的工況，自然風(fēng)速與塔出口風(fēng)速之比在0.30～2.02之間，設(shè)置垂直于和平行于塔排長(zhǎng)軸兩個(gè)風(fēng)向，依次調(diào)整塔排的間距。圖6—圖8分別給出了風(fēng)向垂直于及平行于塔排長(zhǎng)軸時(shí)，塔排間距對(duì)塔群平均回流率及塔排之間干擾的影響。由圖可以看出，在風(fēng)向垂直于塔排長(zhǎng)軸的條件下，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，出塔風(fēng)速占主導(dǎo)地位，在下風(fēng)側(cè)基本不形成渦流，所以，塔群平均回流率相對(duì)較小且隨塔排間距的增大而減小，當(dāng)塔排間距為塔寬的3倍時(shí)，回流率基本不再改變；隨著風(fēng)速的增加，自然風(fēng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，在塔下風(fēng)側(cè)形成渦流，故塔群平均回流率逐漸增大，塔排間距與塔群平均回流率之間的關(guān)系逐漸減弱；當(dāng)風(fēng)速大于9m/s時(shí)，隨塔排間距的增大，塔群平均回流率先增大后減小，塔排之間的干擾亦有同樣的規(guī)律。當(dāng)風(fēng)向平行于塔排長(zhǎng)軸時(shí)，隨塔排間距的增加，塔群平均回流率迅速減小，當(dāng)塔排間距與塔寬之比大于1時(shí)，塔群平均回流率基本不受塔排間距的影響。對(duì)比兩種風(fēng)向的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，塔排長(zhǎng)軸應(yīng)盡量平行于常年主導(dǎo)風(fēng)向。

圖4 不同風(fēng)速、塔排長(zhǎng)度對(duì)塔群回流率的影響

圖5 塔排間距對(duì)塔群平均回流率的影響

圖6 塔排間距對(duì)塔群平均回流率的影響（風(fēng)向垂直于塔排長(zhǎng)軸）

圖7 塔排間距對(duì)塔排之間干擾的影響

圖8 塔排間距對(duì)塔群平均回流率的影響（風(fēng)向平行于塔排長(zhǎng)軸）

4 結(jié)論

本文對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔單塔不同的塔型尺寸、單排塔的冷卻塔數(shù)量、多排塔塔排間距在不同環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向條件下的回流及干擾進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明：（1）在沒(méi)有自然風(fēng)的條件下，單個(gè)塔基本不產(chǎn)生回流；（2）當(dāng)冷卻塔單排布置時(shí)，塔群平均回流率隨風(fēng)速的增大，先增大再減小，在風(fēng)速9～15m/s之間存在峰值，當(dāng)塔排長(zhǎng)度與塔寬之比大于5時(shí)，塔群平均回流率變化減小；（3）長(zhǎng)軸位于同一條直線上的相鄰塔排凈距不小于1倍的塔寬；（4）塔排長(zhǎng)軸不在同一條直線上且相互平行布置，在風(fēng)向垂直于塔排長(zhǎng)軸的情況下，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，塔群平均回流率隨塔排間距的增大而減小，隨著風(fēng)速的增加，二者之間的關(guān)系逐漸減弱，當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s時(shí)，隨塔排間距的增大，塔群平均回流率先增大后減??；在風(fēng)向平行于塔排長(zhǎng)軸的情況下，隨塔排間距的增加，塔群平均回流率迅速減小，當(dāng)塔排間距與塔寬之比大于1時(shí)，塔群平均回流率基本不受塔排間距的影響；塔排長(zhǎng)軸應(yīng)盡量平行于常年主導(dǎo)風(fēng)向。

［1］ 趙振國(guó).冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

［2］ 趙順安.海水冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］ 工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T50102-2003［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［4］ 機(jī)械通風(fēng)冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T50392-2006［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［5］ 高坤華，徐士倩，鄭德升，等.機(jī)械通風(fēng)冷卻塔排布置數(shù)值模擬分析及優(yōu)化［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40（6）：139-143.

［6］ 張琳.冷卻塔布置中濕空氣回流干擾的計(jì)算［J］.工業(yè)用水與廢水，2002，33（3）：41-43.

［7］ 王輝.冷卻塔設(shè)計(jì)布置實(shí)例談［J］.暖通空調(diào)，2011，41（7）：73-76.

［8］ 李紅莉，趙順安.鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔空氣動(dòng)力特性數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，12（3）：206-209.

［9］ 周蘭欣，蔣波，陳素敏.自然通風(fēng)濕式冷卻塔熱力特性數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40（2）：208-213.

［10］ 韓占忠.FLUENT：流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

［11］ 趙順安.逆流式自然通風(fēng)冷卻塔塔內(nèi)氣流場(chǎng)及換熱的數(shù)值模擬［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，1988.

Numerical simulation optimizing study on the forced d raft mechanical cooling tower layout

WU Feixiang，ZHAO Shunan
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The thermal characteristics of cooling tower could be affected by its own reflux and the hot air from other towers.In this paper，CFD software FLUENT is used to build the 3D numerical models for a single tower and tower groups of different arrangements.We have had four conclusions：the changes of reflux rate for different towers when there is no wind；the influence of different wind speeds and directions on feflux rate of a single row towers；the influence of different wind speeds and directions and row spacings on the reflux rate and disturbance of multi-rows towers.These conclusions could be used as reference for engineering design.

the forced draft mechanical cooling tower；tower row arrangement；natural wind；reflux and interference

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.012

11672-3031（2015）03-0229-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2015-07-05

毋飛翔（1987-），河南人，碩士生，主要從事冷卻塔方面的研究。E-mail：wufeixiang188@163.com