大型电厂冷却塔塔群的数值研究
张郑磊，金童
（1.苏州热工研究院电站寿命管理研究中心结构强度所，江苏苏州215004；
2.华北电力大学电站设备状态检测与控制教育部重点实验室，河北保定071003）
摘要：基于CFD软件和自然通风湿式冷却塔相关理论，建立精确的计算模型，对大型冷却塔的运行工况进行模拟计算.针对塔群中大型冷却塔之间的相互影响，对常见的一字型和正的工程设计及改进工作提供理论参考. 方形排列的四座冷却塔进行模拟计算.对冷却塔附近空气场的压力、选度等透行分析.为以后
关键词：冷却塔料：数值模拟：空气场
中图分类号：TK264文献标志码：A文章编号：1009-3230（2011）01-0013-05
NumericalStudy onEffectofLarge Group CoolingTowers
ZHANC Zheng-lei JIN Tong( Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for PowerPlant Equipment North China Electric Power University Baoding 071003 China)
tower. The calculation model is used to simulate area including the single tower or large group towes Abstract: This paper builds a accurate calculation model bsed on CFD aad some theory of colingin diferent arrangements. Acording to the experimental model and study result om the air flow fieldin the whole area it provides a theoretical reference to the further design.
Key words: Cooling tower; Numerical simulation; Air flow field
特点进行求解，但这种方法要求合适完善的数学 建立力学模型，运用数学方法井结合冷却塔犹流建立与实际情况符合的数学物理模型，然后针对 所要研究的问题，可以再参数变化的范围和可控制的情况下进行深人系统的研究，为完善冷却塔的设计和运行提供了参考依据.
1概述
冷却塔的工作过程是循环水从凝汽器中吸收排气热量，以较高温度进人冷却塔经由配水槽践指流模型；面做实例实验要耗费大量的人力物力.散成细小均匀的水滴酒到填料层上，与冷空气以所以通过CFD软件进行实物模拟，在最大程度上蒸发、传导和对流等方式完成热交换，冷却后的循 环水以较低湿度返回凝汽器.由此可见，冷却塔的出塔水温直接影响汽轮机的排气压力和循环热效率.
近年来，随着电力企业的发展，我国建成一些超大型冷却塔，淋水面积为9000-13000=²，塔高为150-180m，组合形式有简单的单、双塔向更加复杂的群体布置式发展.
2物理模型及计算方法
根据冷却塔介质的流动特性和luent软件模型的特点，列出以下基本假设：（1）不考虑自然风对塔内流动的影响及出塔气流对环境大气的影响：（2）填料层材料和雨区中的雨滴对空气流场的作用是通过简化的物理模型计算，只考虑其对 空气流场的传质传热及阻力的影响.在雨区和喷潜区运用离散相模型，其中空气作为连续相，采用欧拉法求解，水满作为离散相，采用拉格朗日法计
研究冷却塔的热力性能，主要是解决如何降低冷却塔的循环水出塔水温及其影响的主要因素.理论分析是从流体力学的基本方程出发，
算：填料区对气水流场的影响当做源项，通过外接自定义函数求解”.（3）冷却塔在稳定运行状态 下，塔内流动为定常流动，其中气流运动是轴对称的，水流运动是一维的.采用稳态雷诺应力平均NS方程，选用标准k-e独流模型，其中在输运方程中考虑了浮力项.（4）计算中，控制微分方 程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法，流场的计算则采用典型的SIMPLE算法，面uent求解器采用分离隐式.
2.1气流场的基本方程
空气作为连续介质，在冷却塔稳定工况下，其内外流场可以当作稳态计算.因此气相的通用控制方程如下"；
式中p为空气密度，为速度失量，为通用变量，分别表示各向速度分量（u、、）、水蒸气组分散系数，S.为广义源项. Y、温度T、动能k和流耗散率s，r.为广义扩
2.2水流场的数学物理方程
在湿冷塔的配水喷区，填料区或雨区，水察某个控制体积内的水量的总和效应.通过 的运动都是不连续介质的运动方式，因而只能考拉格朗日法计算其流场，并通过耦合计算水滴与气相的热质交换.水滴的温度变化表示如下：
式中T、7 A M，分别是控制单元内气相干球温度和水滴温度，水滴表面积，和水滴质量.水滴 的蒸发速率为
式中C.为水滴表面蒸汽摩尔溶度，C.为湿空气 中蒸汽摩尔溶度，M.为水的摩尔质量.ho、A分别为传质、传热系数，它们通过Nuslet关系式得出.
2.3填料模型简化
湿冷塔设置填料层，是使被冷却介质在塔体中的流动时间延长，增大接触面积，使换热更充分.
水膜沿着波纹板垂直向下流动，在填料区，循环水的流场近似为一维流场，这样，填料区可以离 散成m个柱体，每个柱体可以看做为一个一维网格，每个一维网格离散为n个节点.填料中水流可以用m个一维网格表示，网格中任意一点（节点）循环水的流场特性可以温度和质量流率表
(1)
(2)
(3)
示”，如图1.
2.4热质交换模型
2.5冷却塔内阻力模型
图1填料内热质传造陶化模型
因此填料中传热传质可以用一维模型来计用Poppe模型来分析，单位高度的填料的传质系 算.对于膜状填料，填料区域的热质传递特性应数可以表示为淋水密度和进塔空气质量流率的函数.1.2m高的膜状填料传质系数表示如式 (4):
-0.517075m式中M为Merkel数，L为填料高度，A为汽水接触面积，m、m，分别为淋水密度和空气质量流率.
Ic =h/(h_c)o 传热、传质系数可表示为刘易斯因子关系式：
刘易斯因子可由Bosjnakovics公式得到.
热被释故.在Poppe模型中当蒸汽压力升高超过馆 如果空气过饱和，水蒸汽冷概成水雾，其蒸发潜和蒸汽压力时，就可以假设蒸气被压缩成雾状.
通过下列公式计算： 单位体积的质量源项S.和S.热量源项可以
式中VL，为本填料层高度，A为蒸发潜热.T、T.分别为第层填料水流的进、出口温度.C和C_分别为水的比热和饱和水蒸气的比热，VT、化量、蒸发量、水蒸汽冷凝量、质量源项和能量 mm、S和S分别为第n层填料内水温变源项.
由压降系数（k）、空气密度（p）和穿过几何面的 当气流穿过冷却塔时，它的压力降（V，）可以
(4)
(5)
(6)
(7)
3.1.2物理边界条件
垂直速度分量（V）来表示，如下面经验关系式所示
无滑移壁面边界条件.计算中考虑重力和浮力影 进口和出口均为压力边界条件；塔壁和地面为响，离散相边界条件在进出口、进风口、水池底面、收水器等边界均为逃魂，在冷却塔壳壁面为反射.
(8)
网和收水器四部分.对于1.2米高膜状填料，其 几何边界阻力主要包括进风口、填料、配水管压力损失系数表示如式（13）.
(9)
295973）对于进风口、管网和收水器的压力损失系数根据有关实验资料可以取定值，分别为K=0.5、K_ =0. 5 和1 K_ =3. 5.
3单塔计算和分析
3.1边界条件
3.1.1几何边界条件
以某1000MW机组为例，其儿何边界条件为：冷塔高度165m.填料底面直径为123.62m，塔筒顶部直径为80.08m，哦部直径为75.21m， 进风口高度为11.64=，填料厚度为1.2m.计算区域为直径为500m、高度为500m的医柱体.利用GANBIT软件生成相应的几何模塑以及计算网 格.计算边界如图2所示.
图2证算证界
3.2参考工况模拟
其中4个润点，对比实测出塔水温和模拟计算结 根据该机组冷却塔热力特性实验报告，选取果，如下表所示
实测出塔水温和模拟计算继果比较
表！
序号 干球湿发 水垫kg 实离通水 实洲出塔水蓝 计算出场水苗 计算与实系1 2 30.52 30.34 25.55 25.25 42.35 2.04 30.65 30.29 30.58 30.32 -0.07 0.033 30.38 25.80 21593.8 42.23 30.28 30.24 0.044 29.94 25.97 42.32 30.48 30.43 0.05
流通截面巡小，速度再次增大.
为环境状态，塔内形成负压，分布较平整，沿高度 冷却塔在稳定运行情况下，塔外压力场保持压力逐涨升高至塔外后与环境压力平衡，压力最小的地方出现在进风口附近，如图3所示.
4冷却塔塔群的布置和优化
按冷却塔的通风要求及塔间空气动力干扰等因素考虑，冷却塔间中心距应≥1.5d，当塔间中心距≥4d时，可不考虑塔群对风压的影响.
受总平面布置的约束，多个冷却塔构成的群塔，其中心距往往<4d，这时就有可能随风向的改变面相互干扰，产生“通道”或”屏蔽“效应，从冷却塔产生较大影响. 面改变了冷却塔周边的风场，对依靠自然通风的 4.1冷却塔一字型排列 4.1.1边界条件 图3空U压为分各图 500 m长1200m的长方体外界环境计算区域，其 四座冷却塔呈字型排列，采用宽500m高 当空气进入场内后便开始加速，山横向流动变为纵向流动之后开始减速，直到塔体率部，由于 万方数据 中物理边界均与上述单塔计算的条件相同.具体模型见图4. 由于计算区域面积较大，受计算机模拟计算能力的限制，在划分网格时，网格划分间距较大， 总网格数量为210万，精确性受到一定程度的影响. 4.1.2模拟计算 对塔群周边的空气场模拟计算后得到下图： 图场计算模型 图5 Y平面空气压力分布 图6I平面空压力分有 图7Y平面气建度分布图 对上面的空气压力分布图进行分析，处在外侧的冷却塔，空气在通过雨区时，压力不断升高.再与绕流冷却塔的空气场相互叠加后，在而区偏向内侧的地方产生激涡：处在内侧的冷却塔，在正 负X方向，受空气的自然对流和沿Z方向绕流外侧冷却塔的气流影响，在冷却塔的靠近中心区城形成低压激据区. 上.空气通过进风口进人处于外侧的冷即塔后，受 由空气速度矢量图看出，在竖直平面方向 图平空述度分 万方数据 气压的影响，速度等值线在内侧向较低处倾斜.处在中间区城的冷却塔由于空气压力平衡，与普 通状态下的冷却塔速度分布相网：在水平平面方向上，通过南区的空气和扰流的空气速度场叠加后，在塔内形或了激涡流动. 4.2冷却塔正四边形排列 4.2.1边界条件 四座冷却塔呈正四边形排列，模报实验中塔之间距离为1.5d.故采用高500m直径为1000m的圆柱体外界环境计算区城，其中物理边界均 与上述单塔计算的条件相同，其体模型见图4. 面12内空膜得 5结束语 建立了冷却塔比较完善的数值求解模塑.应用该模型，以某1000MW机组自然通风冷却塔为例，模拟并分析了其热力特性，与实际试验结果较吻合. 别模拟了常见的两种排列方式，比较形象的展示了 对四座冷却塔组或的塔群进行模拟计算，分两种不同排列方式的空气流场的变化.可以通过对空气流场的研究，在适当的地方加装空气导流装置. 引导空气流动，适度提高冷即塔的冷却效率. 参考文联 图9塔群计算模型 [1]赵振国冷即塔[M]北京：中国水利水电出版社 1997.[2]徐跃系，医，黄文江，手恶君，大电厂自然通风冷却塔性统研究[J].汽轮积技术，%.52005（10）.[3]黄东涛，杜成或，逆流式冷如塔填料及淋水分考的数值 Vol. 47[4] D. G. Kmoger. Air-coled Het Exchanges and Cosl- 优化改计[J].点用力学学极 %o.12000(3） Vol.17.ing Teers[ M]. Tulsa USA :PennWel Corp、 2004.[5] M. N A. Havlader B. M. Liu. Numcrical study of be themal-huddic pefomane of eetive nauldnf eling es[J] Appid Teal Enneing [6] FLUENT; User*s Guide Floent Ine 2003. 2002 (22) ;41 - 59.[7] X Wiiamon S Amfeld M. Behnia. Numrical sim-et of radial themo Duid Selds[JI]- Alied Thes lati of o in a nrl dn wet cling werhemal Enginnering 2008 28(2) :178 189.[8]周兰级，再波，陈意妆自然通风温式冷如略热力特 性数值模扣[J）.水利学报，%o.22009（2） Vol.40[9]A]-Waed R Bcheia M. CFD simulatioe of wet colingtowens J |. Applied Thermal Engiering 2006 26 (4) :382 395.[10] J. CL Kloppen. A Cntical Exaluatie and Refinemstof tle Perfeemane f Wet-cooling Towers[ D]. Souh Africa;Univenity of Sellenbosch 2003. 4.2.2模拟计算 整个计算区域的空气动力场模拟情况如下： 图10平空医力分 图111子面空气建度分布图 气压力不断升高，最终在四座冷却塔的平面中心 根据上图分析，冷却塔从迎风侧到背风侧空区城形成了局部高压区，由于压力的不平衡，在冷却塔背风区偏离冷郑塔中心处产生空气激涡（兄下图) 万方数据
