障碍物对中央空调冷却塔群气流影响模拟

张炳晴 邓亚宏 李昌 伍学智 钟剑 姜昌伟*

1长沙理工大学能源与动力工程学院

2中建三局第二建设工程有限责任公司

0 引言

冷却塔是中央空调系统重要组成部分，其运行能耗占空调系统运行能耗的20%[1]。冷却塔运行性能的好坏直接影响着冷却水的冷却效果，进而对空调系统冷水机组的制冷效果和能耗产生不利影响，而冷却塔热羽流返混对冷却塔运行能耗有重要影响，因此对冷却塔热羽流返混现象的研究[2-6]显得尤为重要。

近年来空调冷却塔安装位置的限制，出现热羽流返混现象的问题越来越严重。现阶段对于空调冷却塔的返混现象研究较少，因此，本文针对空调冷却塔热羽流返混现象开展了冷却塔塔群气流热湿传递规律的研究。

1 物理模型

1.1 几何模型

根据现有高层建筑冷却塔群的具体安装情况，建立了高层建筑室外湿式空调冷却塔风压驱动自然通风几何模型。如图1所示，三台冷却塔依次并排安装于高层建筑楼顶，高层建筑楼顶四周围墙高1 m，冷却塔两侧进风，出风口位于上端，障碍物位于冷却塔背风面。

图1 几何模型

2 模拟工况与评价指标

2.1 模拟工况

考虑如下影响因素：冷却塔出风口有无导风箱，障碍物位置，障碍物与冷却塔进风口间距离，障碍物高度。障碍物的高度依次为2m、5m、7m、9m、11m，障碍物与冷却塔进风口间距离依次为2m、3m、4m、5m、6m。

由于实际冷却塔内部流动与换热过程十分复杂，因此对冷却塔内部流动换热不进行模拟，主要研究冷却塔外部热湿空气流动。由于采用风压驱动自然对流，因此整个外部流场设置为稳态流动，来流空气迎风面选用速度入口边界条件，其他外部大气边界选用压力入口边界条件，壁面设置为无滑移边界条件，冷却塔进风口和排风口设置为速度入口边界条件。参照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50376-2012）》[7]，确定边界条件如表1所示。

表1 边界条件

2.2 评价指标

图2为单个冷却塔二维模型。选用热湿气流的返混率和平均含湿量作为分析冷却塔热工性能的指标。

图2 单个冷却塔二维模型

返混率采用来流风温度、冷却塔进风口进风温度、排风口排风温度表示，具体表达式如下：

式中：η为热湿空气返混率；Tin冷却塔进风口加权平均进风温度；Tout排风口加权平均排风温度；T∞则为来流风温度。

进风口加权平均含湿量可以采用方程计算，如式（2）所示：

式中：fw,ave为进风口加权平均含湿量；fw,i和Ai分别为冷却塔进进风口的含湿量和面积。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 障碍物高度的影响

保持障碍物与背风面进风口距离不变，分析障碍物高度对热湿空气传递规律的影响。图3给出了无导风筒时障碍物与冷却塔进风口距离为2m下障碍物高度对流动与湿度分布规律的影响。从图中可以看出，在障碍物与冷却塔背风面间的区域均产生回流现象，回流现象产生一方面是由于障碍物阻碍了气流的流动，另一方面是由障碍物前冷却塔排风口排风射流和进风口抽吸流相互作用产生，导致进风口压力小于外界压力而产生回流。回流现象随着障碍物高度增加越来越明显。随着障碍物高度增加障碍物背面的涡流逐渐减弱而涡流区域增大。图4给出了有导风筒时障碍物与冷却塔进风口距离为2m下障碍物高度对流动与湿度分布规律的影响。与无导风筒相比，冷却塔与障碍物之间区域的涡流现象明显减弱，这是由于导风筒增加了冷却塔排风高度从而使二次涡流远离冷却塔进风口。当障碍物高度增加，虽然二次涡流强度增加但障碍物背面二次涡流强度混合影响减弱。

图3 流线与湿度分布（无导风筒，L=2 m）

图4 流线与湿度分布（有导风筒，L=2 m）

图5与图6分别显示了有无导风筒时障碍物高度对冷却塔背风面进风口平均含湿量与平均返混率的影响。图5（a）与图6（a）表明当无导风筒时冷却塔背风面进风口平均含湿量与平均返混率随障碍物高度的增加而呈上升趋势，当冷却塔与障碍物间距离为2m，障碍物高度为11m时，平均含湿量最大值和平均返混率最大值分别达到0.0182与1.9%。这是由于障碍物顶部区域出现冷却塔迎风面环境风和冷却塔排风口排风交互作用而产生的二次流，同时由于气体的重力下沉，导致部分热湿空气回流至冷却塔背风面进风口。此外，由于冷却塔入口的吸力作用，随着障碍物高度的增加，冷却塔气流的返混变得更加严重。当距离达到6m时，随着障碍物高度增加，平均含湿量趋于常数，约为0.0178，接近大气含湿量。当有导风筒时，如图5（b）与图6（b）所示，平均含湿量和平均返混率小于无导风筒下的平均含湿量与平均返混率，且平均含湿量比平均返混率变化更为明显，这主要是由于冷却塔排风口安装导风筒后，冷却塔出口排风的动量增大的缘故。

图5 冷却塔背风面进风口平均含湿量随障碍物高度变化

图6 冷却塔背风面进风口平均返混率随障碍物高度变化

3.2 冷却塔与障碍物间距离的影响

保持障碍物高度不变，分析冷却塔与障碍物间距离对热湿空气传递规律的影响。图7与图8给出了无导风筒时障碍物高度分别为3m与11m下流线与湿度分布随着障碍物距离的变化。当障碍物高度为3m时，障碍物与冷却塔背风面之间区域回流现象不明显，这是由于障碍物的高度比较低，对气流的阻碍作用不大。随着障碍物距离增加，气体混合区域逐渐增大，回流现象也无明显变化。因此，平均含湿量基本保持不变。当障碍物高度为11m时，在冷却塔和障碍物顶部之间产生了涡流，涡流现象十分明显。当距离增大时，障碍物背面的涡流逐渐减弱，涡流区域增大，二次流不会流向冷却塔背风面进口。

图7 流线与湿度分布（无导风筒，H=3 m）

图8 流线与湿度分布（无导风筒，H=11 m）

图9与图10分别给出了冷却塔背风面进风口平均含湿量与平均返混率随障碍物距离变化。从图9（a）可以看出，当障碍物高度一定时，冷却塔背风面进风口平均含湿量随着障碍物距离的增加而减小，并逐渐达到稳定值0.01785。由图10（a）可知，当障碍物高度一定时，冷却塔背风面进风口平均返混率随着障碍物距离的增加而减小，当距离达到 5 m时平均返混率趋于稳定，约为0.2%。这主要是因为随着距离增加，气流流动空间越来越大，产生的一次涡流越来越分散，从而造成平均含湿量随着障碍物距离的增加而逐渐减小。对比图9 与图10，冷却塔安装了导风筒后，平均含湿量与平均返混率基本上小于无导风筒情形。

图9 冷却塔背风面进风口平均含湿量随障碍物距离变化

图10 冷却塔背风面进风口平均返混率随障碍物距离变化

4 结论

本文对冷却塔群进风口处有障碍物作用下强制通风冷却塔周围热羽流的返混现象进行了研究。研究分析了障碍物高度，冷却塔和障碍物间距离以及冷却塔两侧障碍物和背风面障碍物对热时传递规律的影响。结论如下：

1）冷却塔没有安装导风筒时，冷却塔与障碍物距离较小时，平均含湿量和平均返混率随着障碍物高度的增加而增大。然而，随着冷却塔和障碍物距离的增大，障碍物高度的影响减小。

2）冷却塔安装导风筒时，冷却塔和障碍物距离较小时，平均含湿量和平均返混率增加得很缓慢。冷却塔和障碍物距离较大时，平均含湿量和平均返混率基本不随冷却塔和障碍物距离变化而变化。

3）不管冷却塔有没有安装导风筒，冷却塔排风对冷却塔前部区域平均含湿量与平均返混率无影响，而冷却塔后部区域平均含湿量和平均返混率随着障碍物高度的增加而增大。