机械通风冷却塔塔群布置优化数值模拟研究

毋飞翔，赵顺安

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

机械通风冷却塔塔群布置优化数值模拟研究

毋飞翔，赵顺安

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

冷却塔回流和干扰将影响冷却塔的热力特性。本文利用流体计算软件FLUENT建立了单塔及塔群不同布置方式的三维数值模型。通过计算，得出了无自然风情况下，单塔不同塔型自身回流率的变化；有自然风时，不同风速风向对冷却塔回流率的影响；冷却塔单排布置时，不同风速风向及塔排长度对塔群平均回流率的影响；冷却塔多排布置时，不同风速风向及塔排间距对塔群回流率及塔排间的干扰的影响。结果可为工程设计提供参考。关键词：机械通风冷却塔；塔排布置方式；自然风；回流率

1 研究背景

机力塔往往需要多排布置，当冷却塔布置间距过小会造成冷却塔进塔气温升高，从而降低它们的冷却效果。如果在冷却塔热力计算时，不对进气条件加以修正将导致计算出塔水温偏低［1-4］。因此，有必要对冷却塔的布置方式及其间距进行研究，以降低由于布置不当引起的不利影响。

虽然针对冷却塔塔群布置也有一些相关的研究，但都是应用于具体的工程，没有普遍意义［5-7］。为系统的了解单塔不同塔型、塔群不同布置方式及不同风速风向对塔群回流率的影响，本文应用流体计算软件FLUENT建立了单塔及塔群不同布置方式的三维数值模型，并添加不同的风速风向对其进行数值模拟计算［8-11］。计算结果可为工程设计提供参考。

2 数学模型及计算方法

2.1 空气流场控制方程 冷却塔内外流场为不可压流动，其控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，并选用k-ε双方程湍流模式对方程进行封闭，各方程分别表示如下：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

k方程：

ε方程：

式中： ρ为密度，kg/m3；为速度矢量，m/s；为应力，kg/m2； p为压强，Pa；g为重力加速度，m/s2；为侧体力，kg/m2；ε为湍动能耗散率，m/s； k为湍动能； h为焓，J/kg；σ为Prandtl数；hj为 j组分的焓，J/kg；Sh为源项； μ为空气的动力黏性系数，kg/（m2·s）；σk为k方程的湍流Prandtl数；σε为ε的湍流Prandtl数； μt为湍流黏性系数，N/（s·m2）；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能生成项；Gb为由浮力引起的湍流动能； Cμ，C1ε，C2ε，Ck，Cε为湍流模型常数，取值见表1。

表1 湍流模型常数

2.2 边界条件 根据研究对象冷却塔，可将整个计算域分为塔内和塔外两部分。对于塔外区域边界：在无风时，四周及顶部设为压力出口边界，有风时，通过编写UDF将风速添加到进风面，其余各面保持为压力出口边界；底部设为固壁无滑移边界；冷却塔塔壳采用固壁边界条件。塔内区域：冷却塔进风口及出口都设置成内部边界；填料部分添加热量源项，塔内外温差设为10 K（环境温度305 K，塔内温度315 K）。

2.3 冷却塔回流率计算 湿热空气对冷却塔的影响分为回流和干扰两部分［5-6］。回流是指从冷却塔排出的湿热空气一部分重新回到了本塔的进风口中，如图1所示；干扰是指进入冷却塔的空气中混掺了来自其他塔的湿热空气，如图2所示。

图1 冷却塔回流

图2 冷却塔干扰

当冷却塔多格组合布置时，回流和干扰经常是同时存在的。这两者将影响冷却塔周围的气象条件，降低冷却塔的换热效率。回流率Rc一般定义为从风筒排除的湿热气流被吸入进风口的比例，可用如下公式计算：

式中：t1为进风口平均温度，℃；t2为出风口平均温度，℃；t0为大气环境温度，℃。

3 计算结果及分析

机械通风冷却塔单塔不同的塔型尺寸、单排塔的冷却塔数量、多排塔塔排间距以及不同环境风速风向都会影响冷却塔的进气条件，引起回流及干扰，降低冷却塔的冷却效率。本文应用流体计算软件FLUENT分别建立如图3所示的各种布置方案的数值模型，通过添加不同风速风向，研究以上各布置方式对单塔及塔群回流率的影响，提出合理的塔群布置方式。

3.1 计算模型的建立及网格划分 网格是离散的基础，网格节点是离散化的物理量的存储位置，网格在离散过程中起着关键的作用［8-9］。本文采用四面体网格建立三维模型，单塔计算工况条件下计算域取98m×98 m×100m，塔群计算工况条件下计算域取500 m×500 m×200m。网格数量在73万～121万之间，最小单元体积为1.72×10-2m3。

图3 机械通风冷却塔布置方案

3.2 单塔不同塔型对回流率的影响 通过查阅大量的冷却塔相关资料，总结出了常见的冷却塔塔型，其出风口风速与进风口风速之比v1v2在1.87～3.63之间。计算结果见表2，由表2可以看出，在没有自然风的条件下，单个塔基本不产生回流。

表2 进出口风速之比对冷却塔回流率的影响

3.3 单排布置时塔排长度对塔群回流率的影响 冷却塔单排布置，依次增加塔排长度，添加垂直于塔排长轴的风速。将计算结果汇总于图4。从图4可以总结出，塔群平均回流率随风速的增大，先增大再减小，当风速在9～15 m/s之间存在峰值，这是由于风速在9～15m/s时，会在塔群下风侧产生较强的涡流，从而引起较大的回流率；随着塔排长度的增大，塔群平均回流率逐渐增大，当塔排长度与塔宽之比大于5时，回流率变化减小。

3.4 单排布置时塔排间距对塔群回流率的影响 保证两座冷却塔塔排长轴布置在同一条直线上，每排塔长宽比取5∶1，自然风速与塔出口风速之比VfV0在0.30～2.02之间，风向垂直于塔排长轴，依次调整塔排的间距。图5为塔排间距对塔群平均回流率的影响。结果表明，随着塔排间距的增大，塔群平均回流率逐渐减小，当塔排间距与塔宽之比大于1后，塔群平均回流率变化已经很小，当大于2时，回流率基本不变。因此，从这个角度来看，冷却塔塔排单排布置时，其间距应不小于1倍的塔宽。

3.5 多排布置时塔排间距对塔群回流率的影响 当塔排长轴不在同一条直线上且相互平行布置时，取每排塔长宽比为5∶1，分别计算两排及三排塔平行布置的工况，自然风速与塔出口风速之比在0.30～2.02之间，设置垂直于和平行于塔排长轴两个风向，依次调整塔排的间距。图6—图8分别给出了风向垂直于及平行于塔排长轴时，塔排间距对塔群平均回流率及塔排之间干扰的影响。由图可以看出，在风向垂直于塔排长轴的条件下，当风速较小时，出塔风速占主导地位，在下风侧基本不形成涡流，所以，塔群平均回流率相对较小且随塔排间距的增大而减小，当塔排间距为塔宽的3倍时，回流率基本不再改变；随着风速的增加，自然风逐渐占据主导地位，在塔下风侧形成涡流，故塔群平均回流率逐渐增大，塔排间距与塔群平均回流率之间的关系逐渐减弱；当风速大于9m/s时，随塔排间距的增大，塔群平均回流率先增大后减小，塔排之间的干扰亦有同样的规律。当风向平行于塔排长轴时，随塔排间距的增加，塔群平均回流率迅速减小，当塔排间距与塔宽之比大于1时，塔群平均回流率基本不受塔排间距的影响。对比两种风向的计算结果可见，塔排长轴应尽量平行于常年主导风向。

图4 不同风速、塔排长度对塔群回流率的影响

图5 塔排间距对塔群平均回流率的影响

图6 塔排间距对塔群平均回流率的影响（风向垂直于塔排长轴）

图7 塔排间距对塔排之间干扰的影响

图8 塔排间距对塔群平均回流率的影响（风向平行于塔排长轴）

4 结论

本文对机械通风冷却塔单塔不同的塔型尺寸、单排塔的冷却塔数量、多排塔塔排间距在不同环境风速风向条件下的回流及干扰进行了数值模拟计算。结果表明：（1）在没有自然风的条件下，单个塔基本不产生回流；（2）当冷却塔单排布置时，塔群平均回流率随风速的增大，先增大再减小，在风速9～15m/s之间存在峰值，当塔排长度与塔宽之比大于5时，塔群平均回流率变化减小；（3）长轴位于同一条直线上的相邻塔排净距不小于1倍的塔宽；（4）塔排长轴不在同一条直线上且相互平行布置，在风向垂直于塔排长轴的情况下，当风速较小时，塔群平均回流率随塔排间距的增大而减小，随着风速的增加，二者之间的关系逐渐减弱，当风速大于9 m/s时，随塔排间距的增大，塔群平均回流率先增大后减小；在风向平行于塔排长轴的情况下，随塔排间距的增加，塔群平均回流率迅速减小，当塔排间距与塔宽之比大于1时，塔群平均回流率基本不受塔排间距的影响；塔排长轴应尽量平行于常年主导风向。

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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

（责任编辑：李福田）

2015-07-05

毋飞翔（1987-），河南人，硕士生，主要从事冷却塔方面的研究。E-mail：wufeixiang188@163.com