高位集水冷却塔集水装置阻力特性数值模拟研究

郭富民，赵顺安，杨智

（1.中国水利水电科学研究院水力学研究所，北京100038；2.中国水利水电科学研究院图书学报部，北京100038）

高位集水冷却塔集水装置阻力特性数值模拟研究

郭富民1，赵顺安1，杨智2

（1.中国水利水电科学研究院水力学研究所，北京100038；2.中国水利水电科学研究院图书学报部，北京100038）

高位集水冷却塔是在常规冷却塔的填料下方增设了一层集水装置，研究集水装置的阻力特性对于计算冷却塔通风量具有重要意义。本文采用FLUENT流体计算软件，研究了集水装置气流特性。通过数值模拟计算，得出了集水装置的阻力系数值以及不同填料阻力和集水装置深度对阻力系数的影响均不大；数值计算模型计算结果与已知的试验结果对比表明，两者吻合良好，计算成果可供高位集水冷却塔的研究和设计参考。

集水装置；阻力特性；钝体绕流；多孔介质

1 研究背景

高位集水冷却塔出现于20世纪80年代，是一种新型节能冷却塔。目前，高位集水冷却塔在欧洲，特别是核电占电力供应比重较大的法国，应用比较普遍和成熟；而在我国，只有蒲城电厂两台330MW机组采用该类型塔，该塔规模较小，在设计之初没有进行过相应研究，不能为我国高位塔的工艺设计及应用提供充足的参考和依据。国外对高位塔虽有一定研究成果及诸多工程应用实例，但其相关设计资料很难在公开的文献中获得，因此有必要对高位集水冷却塔进行系统地基础性自主研发工作。冷却塔的阻力计算是冷却塔热力计算的重要内容之一，高位集水冷却塔与常规冷却塔在结构上的最大区别在于进风口区域增加了集水装置，集水装置的增加势必影响冷却塔进风口区域的流场分布及其阻力特性，进而影响冷却塔的热力性能。集水装置的阻力特性到底如何尚无从得知，为此，很有必要研究集水装置的阻力特性。

气流流经集水装置的过程属于钝体绕流，钝体绕流问题虽然由来已久，但也仅限于钝体结构形式相对简单的圆柱绕流和方柱绕流［1-3］；在钝体结构系中，钝体结构的气流阻力特性相互影响，具体影响程度不仅与钝体的结构形式有关系，还受钝体结构布置形式以及气流运动状态的影响。集水装置属于形状比较复杂的钝体结构系，对于该类结构的研究更是十分少见，所以在对高位集水冷却塔进行热力计算或数值模拟时缺乏对集水装置这一阻力构件的阻力特性的最基本的认识，计算或模拟时具有一定的盲目性。

本文采用FLUENT软件［4-5］，通过数值模拟计算重点研究了高位集水冷却塔中常用的集水装置的阻力特性、不同集水槽深度的集水装置之间阻力特性的差别以及填料阻力系数对集水装置的阻力特性受的影响，可以为高位集水冷却塔的设计计算提供依据，具有重要的意义。

2 数学模型及计算方法

2.1 空气流场控制方程本文主要研究气流在流经集水装置时的空气动力特性，可以认为气体运动为不可压缩定常流，符合雷诺平均N-S方程，并采用k-ε双方程湍流模型对雷诺应力进行封闭。空气流场的控制方程可表示如下：

连续方程：

动量方程：

气体状态方程：

K方程：

ε方程：

式（1）～式（5）中：ρ为密度，kg/m3；为速度矢量，m/s；τˉ为应力，Pa；p为压强，Pa；g为重力加速度，m/s2；为侧体力，N；R为气体常数；T为开尔文温度，K；μ为层流黏性系数，kg/（m2·s）；μt为湍流黏性系数，kg/（m2·s）；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力引起的湍流动能。此外：湍流常数取值见表1。

2.2 网格划分本文主要研究集水装置自身的阻力特性，模拟范围内包含25块集水装置，为降低边壁对集水装置的真实阻力特性的影响，在数据处理时仅对中间5块集水装置的流体特性进行统计。计算域模拟范围为47.3m×60.0m，计算域见图1。网格采用非结构化网格，并对研究所关心的区域网格进行局部加密。计算域内网格最小面积为0.025m2，最大面积为1.617m2，网格数量约40万。

2.3 边界条件边界条件设置：下部为速度入口边界条件，顶部为压力出口边界条件，两侧设置为固壁边界条件。

2.4 阻力系数计算公式通过集水装置的阻力系数按下式计算：

其中：ε为阻力系数；Δp为集水装置上下游压降，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；v为集水装置断面的平均流速，m/s。

3 计算验证

本文主要是采用数值模拟的方法研究集水装置的阻力系数，而现有的文献资料中并没有对集水装置这一钝体结构系阻力特性的相关研究，缺少集水装置的阻力系数值及计算方法，数值模拟计算结果的可靠与否缺乏基本验证资料。考虑到集水装置与格栅都属于钝体结构系这一情况，为此，可以采用同样的模拟方法对格栅进行模拟计算并与采用格栅的阻力系数计算公式［6］计算的阻力系数值进行比较，对采用的数值模拟方法的可靠性作一简单验证，也即从一个侧面对采用此种数值模拟方法计算的集水装置的阻力系数进行验证。

计算域模拟范围为34.0m×30.0m，方柱尺寸为0.4m×0.8m，共包含17个方柱（见图2），对二维计算区域采用非结构化网格划分，对局部进行加密，网格数量从1.1万变化到12.2万的计算结果见表2。

从表2计算结果可知，在不同网格数量情况下，两种方法计算的阻力系数相差百分比全部在5％以内，说明采用的数值模拟方法是可靠的，采用此数值模拟方法对集水装置的阻力特性对集水装置进行的研究结果也是可靠的。

4 计算结果及分析

4.1 网格敏感性分析网格疏密程度影响计算误差，同时也决定着计算效率和计算成本。随着网格密度的增加，计算结果的精度得到提高，当网格加密到一定程度，计算结果的精度并不会随着网格数量的增加成比例的增加，相反还可能会带来新的格式误差，所以，很有必要对网格的疏密程度进行相应的分析。本文通过对Ⅰ种集水槽深度的集水装置通过调节其网格疏密程度来实现不同的网格数量，进而对网格进行敏感性分析，当计算的阻力系数值基本不再变化时可以认为网格数量已经足够。集水槽见图3，计算结果整理见图4。

由图4中曲线不难发现，随着网格数量的增加，计算的阻力系数值越来越接近某一特定的真实值，即误差越来越小，当网格数量增加到40万左右时，计算的阻力系数值基本稳定，继续增加网格数量是没必要的，在后续的计算分析中是在此网格密度下进行。

4.2 阻力系数与填料断面气流平均速度的变化关系阻力系数与雷诺数存在一定的变化关系，待流场进入阻力平方区后，其阻力系数将不再变化，阻力平方区时研究的流场特性才有意义。集水装置这一钝体结构系形状非常复杂，气流在流经集水装置时其雷诺数无法准确计算；另外，对于集水装置这一结构形式的临界雷诺数也不得而知，所以，无法直接确定何时进入阻力平方区。为了确保研究是在阻力平方区中进行，数值模拟时在速度入口设置不同大小的气流流速，分析其阻力系数随速度变化的关系，待阻力系数稳定后，可以判定流态进入阻力平方区，此时的阻力系数值即为该集水装置的阻力系数值。填料当量阻力系数为25.5时，集水装置阻力系数随填料断面的速度变化关系见图5。由图5可以看出，填料的阻力系数为25.5时，填料断面风速达到1.5m/s以后阻力系数基本稳定，流态进入阻力平方区，此时该种集水装置自身的阻力系数值为2.55。

4.3 填料阻力系数对集水装置阻力系数的影响冷却塔在运行时，填料高度以及填料形式的不同都将导致填料区阻力系数的不同，填料区阻力系数的不同势必会影响冷却塔内气流场分布，这也将导致塔内其他阻力构件的阻力系数发生变化。在数值模拟计算时，对填料区采用多孔介质模型，通过设置多孔介质的阻力特性的相关参数来实现对不同当量阻力系数填料的模拟，共模拟了0.0，15.0，25.5，33.0，46.5五种填料阻力系数下的情况（阻力系数为0.0时指实际塔中不布置填料的情况），集水装置阻力系数随填料阻力系数的变化关系见图6。

从图6中曲线可以看出，在填料阻力系数为0.0时，集水装置阻力系数要大于安放填料时的阻力系数，这是由于填料的安放，对流场起整流、稳定流场的作用，流场趋于均匀；在所模拟的另外四种阻力系数填料情况下，集水装置阻力系数基本无变化，可见集水装置阻力特性受填料阻力系数影响较小。

4.4 三种集水槽深度的集水装置阻力系数分析比较集水装置的阻力特性是与其自身的结构形式分不开的，在集水槽宽度一定的情况下，随淋水密度与单块集水装置控制的汇水面积的不同，将导致所需要的集水装置集水槽深度的不同，集水槽深度不同，其阻力系数也会有所差别。对如图3所示的集水槽，本部分共对集水槽中三种H2深度的集水装置进行了模拟计算，阻力特性结果见表3。

从表3中很容易看出，集水装置阻力系数值随集水槽深度的降低略有减小，但减小幅度不大，即集水装置时的阻力特性受集水槽深度的影响很小。

5 结论

本文采用FLUENT流体计算软件，对高位集水冷却塔中的集水装置阻力特性进行数值模拟研究。首先对采用的数值模拟方法进行验证，对方柱模拟计算的验证表明，此数值模拟的误差在5％以内，吻合良好。对集水装置模拟分析结果表明：集水装置阻力系数受填料阻力系数以及集水槽深度的影响程度均不大；同时，数值模拟计算得出了所研究的集水装置的阻力系数值为2.55。

［1］顾志福，孙天风.三圆柱绕流的实验研究［J］.空气动力学学报，2000，18（4）：441-447.

［2］王亚玲，刘应中，廖国平.圆柱绕流的三维数值模拟［J］.上海交通大学学报，2001，35（10）：1465-1469.

［3］毕继红，余化军，任洪鹏.静止方柱和圆柱绕流的二维数值分析［J］.三峡大学学报：自然科学版，2012，34（1）：41-45.

［4］FLUENT.User′s guide［M］.Lebanon，USA：FLUENT Inc.2003.

［5］李红莉，赵顺安.鼓风式机械通风冷却塔空气动力特性数值模拟研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2013，11（3）：206-209.

［6］伊德利契克.华绍曾等编译.实用流体阻力手册［M］.北京：国防工业出版社，1985.

Study on the num erical sim u lation of the w ater collecting devices’resistance characteristics in the high-level w ater collecting cooling tow er

GUO Fu-m in，ZHAO Shun-an，YANG Zhi
（China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

A layer of water collecting devices is added under the filler in the cooling tower with high-level water collecting compared to the conventional.So the research on the water collecting devices’resistance characteristics has great significance for calculating ventilation quantity of the cooling tower.This paper has studied the air flow characteristics of the water collecting devices through FLUENT software.It’s found that the drag coefficient value obtained through numerical simulation is not affected greatly by different drag coef⁃ficient fillers and the depths of the devices.At the same time，the results from calculation model are con⁃sistent with known experimental results.Therefore，the achievement on the water collecting devices by adopt⁃ing this calculation model may provide reference for the research and design of the high-level water collect⁃ing cooling tower.

water collecting devices；resistance characteristics；flow around bluff body；porous medium

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.016

1672-3031（2014）01-0093-05

（责任编辑：李福田）

2013-05-20

郭富民（1989-），男，安徽亳州人，硕士生，主要从事冷却塔方面的研究。E-mail：fumng@163.com