逆流式自然通风冷却塔3D计算方面的问题.doc

自然通风逆流式冷却塔的三维热力计算模型 赵顺安1、李陆军1、刘志刚2、冯璟2 （1、中国水利水电科学研究院，北京，100038；2、华北电力设计院，北京，100012。） 摘要：本文采用FLUENT软件，利用其UDF模型，将焓差法计算模型嵌入到离散离子模型内，建立起了湿式冷却塔的三维数值计算模型，使三维数值模拟计算与现行的冷却塔设计研究方法接轨，经过与实测结果对比，结果吻合良好，可供冷却塔设计优化与研究参考。 关键词：湿式冷却塔 FLUENT 离散离子模型 三维 数值模拟 引言 自然通风逆流式冷却塔是火/核电循环水系统的重要设备，它是汽轮机的泛汽冷凝的冷端。它是依靠塔内外的空气密度差来推动空气流动将循环水的热量带向大气的，塔内气流流动严格地讲是完全三维流动，在无自然风时可以准确地处理为轴对称的二维流动。但有自然风时塔内流场不能按二维处理，为了解塔内布置的细部优化，如：配水槽对塔的热力特性影响、配水非均匀时不同的淋水密度区并非圆形，按二维流动处理将会有误差，因此，研究自然通风逆流式冷却塔三维数值模拟具有重要理论和工程意义。 英国著名计算流体力学学家Splding早在1980年代就对自然通风逆流式冷却塔进行过三维数值模拟计算研究，他是采用了焓差模型自行编制计算程序。国内二维数值模拟计算也于1980年代起步，现在已经成熟地用于冷却塔的工程设计。湿式冷却塔的三维数值模拟计算是在2010年代后期开始的，主要有北京大学、山东大学和华北电力大学等单位开展的学生论文工作，这些工作的一个共同点是均以Fluent 软件为基础。由于Fluent软件是一个通用的流体计算软件，并非是冷却塔的专用软件，所以，要进行冷却塔的模拟计算，就须建立与软件能接合的换热与阻力的模型。我国工程设计中所使用的焓差模型无法直接用于Fluent软件，三家单位各自参考国外文献建立的冷却塔的热力阻力模型，拓展了Fluent流体计算软件应用于范围，对冷却塔的特性进行了有益探索，但是与工程设计并统一。 本文在研究了Fluent软件特点的基础上，建立起了Fluent软件的离散粒子模型、多孔介质模型与焓差模型对接关系，实现了将国内的冷却塔的设计试验标准、试验数据、计算模型与Fluent软件相结合，并通过UDF来实现。经过与邹县12000㎡工程冷却塔的实测对比，吻合良好，可供冷却塔的工程优化设计和研究参考。 数学模型 2.1空气流场控制方程 自然通风逆流式冷却塔在机组负荷、气象条件及循环水量稳定运行时，塔内外空气流场可以按三维稳态计算。空气流场的通用控制方程可表示如下: 连续方程： (1) 动量方程： (2) 能量方程： (3) 气体状态方程： (4) K方程： (5) (方程： (6) 组分输运方程： （7） 式（1）中(为密度，为速度矢量。式（2）中为应力， I为单位矢量，p为压强，g为重力加速度，为侧体力（例如粒子项），此外： 为湍流粘性系数，表达式如下： ， K为湍流动能，(为湍流动能耗散率。式（3）中为焓，为湍流Prandtl数，Jj为j组分的扩散通量，Sh为源项，hj为组分j的焓，且 ， Yj为组分j的质量分数。 为j组分的定压比热系数，Tref为参考达尔文温度，T为当前达尔文温度。式（4）中R为气体常数， Mw，i为i组分的分子量。式（5）中K为湍动能, (为气体动力粘性系数，为K方程的湍流Prandtl数，且，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。式（5）中为(的湍流Prandtl数，，模型常数，，其中分别为方向速度分量。式（7）中Sj为j组分的产生率。湍流常数取值见表1 表1 湍流模型常数 1.44 1.92 0.09 1.0 1.3 0.9～1.0 2.2阻力模型 填料阻力的室内试验结果已经包含了填料和喷淋区的阻力，阻力实测数据一般表示为： (8) （9） （10） 式中q为淋水密度(kg/(㎡·h))；V 为风速(m/s)；γ为空气密度(N/m3)； 为试验常数。 填料区可采用Fluent的多孔介质模型，由式（8）～（10）可求出压力损失系数K：