逆温对冷却塔影响的数值模拟研究

黄志祥

（广东省电力设计研究院，广州 510663）

0 引 言

气温随海拨高度增大而上升的现象叫逆温现象。产生逆温的原因主要有：辐射逆温、平流逆温、地形逆温、下沉逆温。自然通风间接空冷系统间冷塔抽力由进出口空气密度差提供，大气逆温现象会影响空气的垂直运动，进而影响空冷塔冷却效果［1］。因此，在系统设计时有必要研究和考虑工程所在地的大气逆温现象。

近来随着湍流模型的不断发展、完善和计算机软件、硬件的飞速进步，对建筑物周围温度场进行数值模拟并获得较可靠结果成为可能。本文以某大型电厂为例进行数值模拟分析，采用先进的CFD软件模拟一般强度大气逆温下间冷系统的运行，为考查间接空冷系统抗逆温能力及措施提供参考。

1 数学模型

1．1 计算模型

电厂周围环境空气看成是不可压缩的，外流场应满足的三维控制方程为［2］：

a连续方程：

b动量方程：

c能量方程：

式中ρ为空气密度；u为速度；p为压力；T为温度；Si为动量方程源项；ST为能量方程源项；k为流体导热系数；cp为比热容；μ为流体动力粘性系数；i＝1，2，3。

在一般情况下整个外流场处于湍流状态，因此对上面的控制方程采用时间平均的方法，对于平均后得到的不封闭的时均方程采用湍流模型进行封闭。在本项目中湍流模型采用RNGk－ε湍流模型，该模型利用重整化群理论得到，以往的大量算例表明，该模型来模拟分离流较为合理。电厂建筑物外流场更是存在大量的分离区，因此选用了该模型。

该模型的湍流动能方程为：

d湍流耗散率方程：

式中k为湍流动能；ε为湍流耗散率；μeff＝μ＋μt，μt为湍流粘性系数；η＝Sκ／ε；S＝ （2sijsij）1／2。

上述模型方程采用SIMPLE （Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equation）方法求解控制方程，利用压力修正法来求解定常外流场控制方程，SIMPLE方法是压力修正法中较为常用的一种，其基本思想是首先假定一个速度场和一个压力场，依次求解动量方程，并由连续方程得到压力修正值，利用压力修正值来得到速度修正值，并求解k，ε方程，再将压力修正值和速度值作为下次计算的假定值，重新计算。

1．2 边界条件

1．2．1 散热器边界条件

采用福哥散热器的换热性能设定换热器的阻力和换热系数［3］。

1．2．2 入口条件

入口边界条件采用速度入口边界条件。本计算中采用大气边界函数：

式中Z∞为气流达到均匀时的速度；U∞为Z∞处来流平均风速；Zi为任意高度；Ui为Zi处平均速度；α为地面粗糙系数，粗糙度越大α越大。本计算中Z∞＝10m，α＝0．16。

1．2．3 出口条件

出口边界条件选用压力出口边界条件，根据大气压与海拔高度的关系给定流动出口边界上的静压。

式中P为大气压，mmHg；a为海拔高度，m。

1．3 网格划分

垂直布置空冷塔的结构底部直径为190m，顶部出口为105m，双曲线外形，高度245m，进风口高度29m，冷却单元布置在冷却塔进风口外侧，全塔共240个单元，单元中的散热元件采用福哥T60散热器的数据［4］，管子直径18mm，节距2．88mm。每个冷却单元长度25m，宽度约2．6 m。本冷却塔共剖分了217×104个三角形单元，网格在冷却塔进出口处适当加密［5］（图1）。

图1 冷却塔三维模型Fig．1 Model of cooling tower in 3D

2 计算结果

由于计算系统能力及时间关系，只对单塔进行流场分析，忽略塔群之间的相互影响。为分析大气逆温现象对间冷系统运行的影响，本文假定在夏季工况设计温度29．6℃，风速4m／s条件下在近地面50～500m发生温度变化范围为10℃的大气逆温现象。计算结果见图2～图7。

经数值模拟计算，无大气逆温和50～500m范围发生10℃大气逆温两种不同条件下间冷系统的运行情况对比，见表1。

图7 间冷塔纵剖面的速度矢量图Fig．7 Velocity vector（vertical profile）

表1 大气逆温对间冷塔换热效果的影响Table 1 Impact of temperature inversion to cooling tower

3 结 论

大气逆温会降低冷却塔抽力，进而影响冷却效果。本文在假设条件下的大气逆温使运行背压提高约2kPa。从模拟计算结果来看，由于该电厂间冷系统冷端规模较大，其对大气逆温等不利自然因素的缓冲能力也较强，一般强度大气逆温对冷却塔工作的影响尚在可以接受的范围内。该电厂厂址所在地大气逆温并不严重，但对于大气逆温现象出现频繁的地区，在进行冷端系统设计时要注意大气逆温的影响［6］，尤其是与其他不利气象条件叠加所产生的不利影响。

［1］西北电力设计院．电力工程水务设计手册 ［K］．北京：中国电力出版社，2005．

［2］吴德铭，郜 冶．实用计算流体力学基础 ［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006．

［3］杨立军，杜小泽，杨勇平．间接空冷系统空冷散热器运行特性的数值模拟 ［J］．动力工程，2008，28（4）：594－599．

［4］黄春花，赵顺安．间接空冷阻力特性试验研究 ［J］．中国水利水电科学研究院学报 ，2011，9（3）：195－199．

［5］朱 嵩．基于RNGk－ε湍流模型的直接空冷岛数值模拟研究 ［J］．企业技术开发，2010，29 （15）：45－46．

［6］徐婷婷，郭 洋．火电厂空冷技术探讨 ［J］．应用能源技术 ，2011，（9）：41－44．