某工程的间接空冷塔三维数值模拟计算xmg.doc

某工程的间接空冷塔三维数值模拟计算
赵顺安[1]、徐名徐明[2]、张宏伟[1]、郭富民[1]
1、中国水利水电科学研究院，北京，100038
2、西南电力设计院，成都，610021
内容提要：间接空冷塔相邻布置距离和自然风对其热力阻力特性的影响是设计所关注的问题，本文采用FLUENT软件和散热器模型对间接空冷无自然风时不同布置间距对热力特性影响及有自然风时对间接空冷的运行水温的影响进行数值模拟研究，结果分析表明：自然风对双塔性能的影响随风向不同而有显著差异，风向平行于塔连线时，迎风塔所受影响大，背风塔受影响小，风向垂直于塔连线时，两塔所受影响基本一致，且与风向平行连线时的迎风塔所受影响相近；间接空冷塔的塔距越小，对塔的阻力热力性能影响越大，建议塔间距不宜小于50m。可为其他工程设计提供参考和依据。
关键词：间接空冷、数值模拟、三维、空冷塔布置
1．问题的提出
间接空冷塔是我国三北地区火力发电的主要冷端设备设施，空冷塔一般为自然通风的方式，散热器的布置有两种方式，一种是将散热器水平布置塔壳内的进风口上；二是将散热器垂直布置冷却塔的进风口的四周。前者要求冷却塔壳走直径大，且径向散热器布置方式有一部分面积无法利用，后者虽较好地克服前者的缺点，但进风口的高度相对而言要比湿冷高的多。按冷却塔进风的要求，多塔布置时，塔与塔的间距，塔与建筑物的间距要求也较大，对于才老厂改造或占地有要求的厂址，往往要打破规范要求的距离。对各间距的确定就成了设计首先遇到的问题。也就是说各间距对空冷塔的运行产生多大影响，就是这此些间距确定必须要考虑的因素，特别是要考虑有自然风时相互间的影响。
现行的常规空冷塔热力设计计算方法，无法对自然风条件下这该空冷塔的气流运动和热交换进行模拟计算，也不能对周围建筑物的影响进行分析评价。当今数值模拟计算技术发展很快，我们可通过三维数值模拟计算,来分析研究自然风条件下空冷塔的阻力热力特性，同时可评价塔距及周边建筑对冷却塔阻力热力性能的影响，为冷却塔设计布置提供技术支持，具有重要的工程实际意义。
本文以某一工程为例，给出了以三维数值模拟方法进行空冷塔热力阻力特性及其与建筑物的布置相互影响的模拟结果，可供其它工程参考。
2．数学模型及数值方法
2.1流动与传热模型
为了分析外界风及周边建筑物对冷却塔内外流场、温度场的影响，需要对冷却塔进行三维数值模拟，空冷塔如图1所示。
假设流动为准稳态，空气为完全气体，流动马赫数较小，不考虑可压缩性，则冷却塔稳态流动传热控制方程如下：

图1间接空冷塔三维模型示意图

假设流动为准稳态，空气为完全气体，流动马赫数较小，不考虑可压缩性，则冷却塔稳态流动传热控制方程如下：
连续方程

(1)
动量方程
(2)
(3)
能量方程
(4)
空气状态方程
(5)
上式中为密度，为速度矢量，为应力，为压强，为湍流粘性系数，为焓，为空气温度，为湍流Prandtl数，为能量方程源项，为气体常数。
湍流模型采用双方程湍流模型，方程如下：
湍动能方程：
(6)
湍动能耗散率方程：
(7)
(8)
上式中为湍动能，为湍动能耗散率，分别为由速度梯度和浮力引起的湍动能生成项，分别为和的湍流Prandtl数，模型常数分别取1.44、1.68、0.0845。在FLUENT中按下式计算：，其中分别为方向速度分量。湍动能耗散率方程中的附加项按下式计算：
(9)
式中。
2.2换热器耦合换热模型
在冷却塔进风口，风与循环冷却循环水通过换热器进行热交换。空气流经换热器的能量交换与阻力损失按下式计算：
(10)
(11)
式中为换热器压差损失，为空气进过换热器微元单位面积所获得的热量，为流动方向换热器微元投影面积，为换热器阻力系数，为换热器换热系数，为冷却循环冷却水温度，为空气温度。
进风口换热器垂直布置，循环水自顶端底端联箱进入接入换热器，从底部顶部联箱流出接出只有单流程布置的才是这样的。如果是双流程，则循环水是从换热器下联箱一端进入，经过内侧冷却管束上行至顶部联箱后再经外侧冷却管束下行至下部联箱另一端出水。目前工程采用双流程居多，因换热效率高。
。受空气冷却，循环水温度沿流向逐渐降低，假设进风口来风温度为常数，则沿高度方向是变化的，同样空气经过换热器后温度升高也是沿高度变化的。在空气与循环冷却水的耦合换热分析中，采用对数温差进行计算，即：
(12)
对于交叉流式换热器，平均温差按可按下式计算：
(13)
式中是将给定的冷热流体进出口温度布置成逆流式的对数平均温差，是小于1的修正系数。按下式计算：
(14)
修正系数取决于两个无量纲参数P、R，其定义如下：
(15)
式中表示热流体进出口温度，表示冷流体进出口温度。
2.3数值方法
本研究采用商用计算流体软件FLUENT对冷却塔流动传热三维数学模型进行求解，并对不同外界风条件