逆流式冷却塔内部空气流场特性数值模拟与分析

谭小卫 刘文浩 刘桂雄



逆流式冷却塔内部空气流场特性数值模拟与分析

谭小卫1刘文浩2刘桂雄2

（1.新菱空调（佛冈）有限公司 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

冷却塔是循环冷却系统的重要组成部分，针对逆流式冷却塔热质交换过程，采用-湍流、面射流、离散相、多孔介质和组分输运等5种模型，分别实现喷淋区、填料区、雨区热质传递数值模拟。结果表明：本文建立的模型出水温度预测值与实际值偏差在±4.2%以内，并发现逆流式冷却塔填料区的风速在靠近内壁区域比中间区域高，且越靠近进风口的填料层卡门涡街现象越明显，进风口靠近塔内壁处和塔底部集水盘附近存在低速气流区。

逆流式冷却塔；空气流场；数值模拟

0 引言

冷却塔作为末端冷却装置，是循环冷却系统的重要组成部分，在工厂、空调系统、能源生产行业广泛应用[1]。逆流式冷却塔内水与空气流动方向相反、相对速度较大、热交换效率高，但填料体积小且风阻较大[2]。

逆流式冷却塔内部特性是其优化控制的基础与理论指导，当前主要采用黑箱建模和数值模拟2种方法进行研究。张春蕾等（2011）在Merkel方程求解过程中引入Simpson数值积分公式，归纳出冷却塔热力性能评价指标经验公式[3]；Asvapoositkul Wanchai等（2012）根据质量蒸发速率方程，提出一种不需测定空气流率的湿式冷却塔性能预测方法，可实现冷却塔设计条件下热力性能评估[4]。在数值模拟方面，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室（2013）基于冷却塔内两相传热传质理论，发现冷却塔中心区域湿空气速度较小，换热效率较差的特性[5]；叶必朝等（2016）建立了逆流式冷却塔热质交换过程仿真模型，实现空气干湿球温度、冷却水流量与水温对冷却塔换热量影响分析[6]；国核电力规划设计研究院（2016）建立超大型冷却塔冷态气流阻力试验模型，提出了逆流式冷却塔进风口区域阻力系数计算公式[7]。由上述可见，数值模拟技术在冷却塔换热特性研究中逐渐成为主流[8-9]。本文针对开式逆流冷却塔的热交换过程，提出一种CFD数值模拟方法，重点研究其热交换过程的塔内空气速度分布，以期为冷却塔的优化控制提供理论指导。

1 逆流式冷却塔工作机理与数值模拟策略

1.1 逆流式冷却塔工作机理

冷却水在热交换器中进行热交换，带走工业或生活废热，温度上升；高温冷却水经由进水泵进入冷却塔，由布水器将水均匀分布于冷却塔内，经一段时间的落体运动之后，以水滴的形式进入冷却塔填料中；冷却水填料中下落过程沿着波纹组织像裂变一样将水流不断细分，实现热交换面积较大的强制对流热质交换；最后，低温冷却水流出填料，进入集水池，由出水泵再次输送回热交换器中。图1为逆流式冷却塔工作原理图。逆流式冷却塔发生热质交换的3个主要区域为：喷淋区、填料区和雨区。其中填料区可完成整个冷却塔降温能力的75％~85％，雨区换热量占总传热的10％~20％，喷淋区换热量最少，仅占总换热量的百分之几。为实现逆流式冷却塔准确的数值模拟，关键是对冷却塔内布水过程，喷淋区、填料区与雨区热质交换过程进行准确建模。

1.2 逆流式冷却塔数值模拟策略

由于研究对象冷却水在整个热质交换的过程中具有多种情况，其数值模拟也应采用不同的数学模型：1) 在冷却水进入布水器前，其在水管中以湍流的形式输送至布水器，故采用可以准确描述流体流动特性的湍流模型；2) 在冷却水进入布水器的喷淋过程中，流体以雷诺数Nu较大的情况从管口射出，与周围空气混合，在重力作用下流动，故应使用考虑重力影响的面射流模型，模拟冷却水喷淋过程；3) 当冷却水在喷淋区达到稳定时，其以水滴形式受重力影响下降，水流不连续采用经典的连续相模型计算会存在较大误差，必须引入考虑重力影响的离散相模型模拟该过程；4) 冷却水在填料区中，像裂变一样不断细分，实现热交换面积较大的强制对流热质交换，故应采用多孔介质模型描述填料、组分输运模型计算冷却水与湿空气间的热质交换；5) 冷却水离开填料进入雨区，其过程与喷淋区稳定时一致，也采用考虑重力影响的离散相模型；6) 进入集水池后，水流连续，但雷诺数Nu较小，应考虑雷诺数影响，选择使用湍流模型或层流模型。上述步骤1)~6)为整个冷却塔数值模拟策略。具体采用模型及作用如表1所示。

逆流式冷却塔数值模拟模型与边界条件示意图如图2所示，建模的关键参数包括：冷却水塔塔体长、宽、高；布水器位置、尺寸、数量；填料长、宽、高与间隔；冷却水入水口、出水口规格尺寸；入风口、出风口规格尺寸。同时在冷却水入水口、出水口，入风口、出风口作为求解器的边界条件，设置冷却水入水速度、温度、压力，出水压力；入风压强、温度、湿度，出风速度、压强进行模型的求解。

图1 逆流式冷却塔工作原理图

表1 数值模拟采用模型

图2　逆流式冷却塔数值模拟模型与边界条件示意图

根据上述总体思路，冷却塔内热质传递过程非常复杂，为提高数值模拟效率，需进行下述简化：1) 冷却塔内传热传质是一个稳态和稳态流动过程；2) 传热和传质的区域是相同的；3) 冷却塔塔壁不与外界发生热交换；4) 水膜温度等于填料水平同一高度水温；5) 湿空气比热和水的汽化热保持恒定；6) 水漂损失对传热传质的影响可忽略不计；7) 不考虑空气在进入冷却塔前达到饱和状态的情况；8) 在填料任意中间横截面，空气和水温度均匀分布。

2 冷却塔热质传递模型

2.1 连续相（湿空气）控制方程

若负荷稳定且外围环境参数不变时，冷却塔内是一个稳态流动过程[10]。设湿空气密度、速度矢量，广义扩散系数、广义源相，空气和水滴间的相互作用产生的附加源项，以通用变量表示各向速度分量。则连续相控制方程为

考虑到冷却塔运行时，气液间存在传热传质，在流场仿真时须激活组分输运模型和能量方程组。设有效导热系数eff、组分的质量扩散流量J、生成速率R、交换系数、质量分数m，则组分方程、能量方程分别为：

(2)

2.2 离散相（水滴）控制方程

采用离散相模型建立拉格朗日坐标系以求解水滴轨迹及两相间的质量传递、动量传递和能量交换。

2.2.1 水滴轨迹计算

设水滴的运动时间、运动轨迹r瞬间速度u，则水滴运动方程为

根据拉格朗日坐标系下，运动方程涉及水滴轨迹的速度。水滴的轨迹通过所定义的在笛卡尔坐标系方向上水滴合力的平衡来预测，即水滴受到曳力、浮力与其他力之和等于动量导数，设水滴颗粒密度ρ，连续相速度，则有

(5)

2.2.2 水滴、湿空气间热质传递计算

根据水滴内发生的显热变化与水滴、空气间发生的对流和蒸发热量传递的热量平衡，设微元内气相干球温度T(K)、水滴温度T(K)、水滴表面积A(m2)和水滴质量M；传热系数(W/m2·K)、水的蒸发潜热h，则水滴温度变化表示为

传质系数，水滴颗粒表面水蒸气摩尔浓度C、湿空气中蒸气摩尔浓度C、水的摩尔质量，则水滴颗粒的蒸发速率为

(7)

设蒸发扩散系数D、空气导热系数k，传热、传质系数可通过努赛尔关系式得到

其中，Nu为Nusselt数；Pr为湿空气（连续相）Prandtl数。

2.3 离散相和连续相耦合控制方程

水滴流遵循与周围空气相同的轨迹所造成的热量、质量和动量获得或损失，源项被计算并纳入到随后的空气相项计算中。

其中，M,0为水滴初始质量；M,av为控制体内水滴的平均质量；∆T为温度变化；∆M为质量变化；m,0为水滴初始质量流率；为水滴比热；c为水蒸气比热；∆为时间步长。

式(8)就是面射流模型、离散相模型、组分输运模型的整合，而湍流模型、多孔介质模型、层流模型是非常成熟的模型，在Fluent中可以直接调用，本文不再赘述。

3 仿真结果与分析

仿真对象选择CEF-A系列玻璃钢逆流方形冷却塔，按照初始条件如表2所示。

表2 仿真对象初始条件

Fluent求解器需进行以下设置：1) 采用方程求解湿空气热力与流动特性；2) 控制微分方程的离散化采用有限容积法，控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式；3) 采用经典Simple算法求解离散形式的控制方程，使用亚松弛因子对计算精度与迭代速度进行控制，亚松弛因子取值在0.3~0.7之间。

根据前面建立的CFD模型及分析的Fluent求解器内设置，完成边界条件设置及用户自编程序导入后，运行求解器，得到冷却塔内空气速度矢量图及速度分布图如图3、图4所示。

图3 冷却塔内空气速度分布矢量图

图4 冷却塔内空气速度分布图

由图3、图4可以看出，在逆流湿式冷却塔中，空气以－45°从塔底部两侧进风口流入塔内。由于填料效果采用差排方式近似模拟其对空气的效果，显示填料区存在绕流，可近似认为填料区波纹状组织附近空气流速较大，流速约为4.5 m/s。离开填料区域后，空气流速降低并逐渐趋于均匀稳定。接近出口速度约为3.0 m/s。填料区波纹状组织附近的绕流使填料区内水膜与空气充分进行热质交换。填料区同一水平面上不同位置的风速不同，风速在靠近内壁区域比中间区域高。在不同水平面上，越靠近进风口的填料层风速越高，绕流越明显。填料底部的风速最大值为6.5 m/s，填料顶部风速最大值为5.2 m/s。而且，由于进风方向成－45°使塔进风口上靠近塔内壁处和塔底部集水盘附近形成了一个低速气流区。

利用搭建的试验平台，采集逆流湿式冷却塔不同运行工况下进水量、进风量、干球温度、湿球温度、进水温度、出水温度的5组实验测量值，并与相应的仿真出水温度值进行对比，如表3所示。可以看出本文建立的模型出水温度预测值与实际值偏差在±4.2%以内。

表3 冷却塔仿真模型验证

4 结论

1) 针对逆流式冷却塔工作流程，通过假设冷却塔内热质交换是稳态、稳态流动过程，热质交换的区域是相同的，在填料任意中间横截面，空气和水温度均匀分布，简化热质传递数学模型，分别实现喷淋区、填料区、雨区热质传递数值模拟。

2) 经数值模拟发现，逆流式冷却塔填料区风速在靠近内壁区域比中间区域高，越靠近进风口的填料层风速越高、卡门涡街现象越明显，进风口上靠近塔内壁处和塔底部集水盘附近存在低速气流区。若在冷却塔优化控制时注意以上现象，将可提供优化控制的效果。

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Numerical Simulation and Analysis of Air Flow Field Characteristics inside Countercurrent Cooling Tower

Tan Xiaowei1Liu Wenhao2Liu Guixiong2

(1.SINRO (Fogang) Air-conditioning & Cooling Equipment Co., Ltd. 2.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology)

Cooling tower is a most important part of cooling system. An exchange process model for counter flow cooling tower was established up by using 5 kinds of models, such asturbulence, jet flow, discrete phase, porous medium, and component transport. Numerical simulation were designed for spray area, filling area, and heat transfer area respectively. Result show that the predictive value of deviation within 4.2%, and found that the wind cooling tower in the filling area close to the inner wall area than the middle area, the closer to the packing layer of the air inlet and the Carmen vortex phenomenon more obvious, on the air inlet near the inner wall of the tower and the tower bottom water collecting tray there is a low velocity flow area.

Counter Flow Cooling Tower; Air Flow Field; Numerical Simulation

谭小卫，女，1971年生，本科，高级工程师，主要研究方向：智能测量与节能控制技术。

刘文浩，男，1990年生，硕士研究生，主要研究方向：CFD数值模拟技术与应用。

刘桂雄，男，1968年生，教授，主要研究方向：先进传感器技术与应用。