基于CFD的某大型冷却塔群气流组织分布研究

司子辉 曹志芳

(1.广州华夏职业学院 广东广州 510935； 2.广东创新科技职业学院 广东广州 510935)

0 引言

冷却塔对中央空调效率的影响最大，冷却塔通常应放在通风良好的地方,如天面,要求进排风口气流通畅，换热良好。但是，放在天面的冷却塔会产生噪声污染，影响周围环境，而且还影响整个城市建筑美观。近年来,国家对特大城市生活环境日益关注，禁止对城市环境造成重大污染的设备布置在室外。因此，超高层建筑的冷却塔群就被放置在室内或机房内等相对较封闭的空间内。然而，冷却塔群布置在房间内部，如果设置不够合理，势将导致热湿空气的返混现象，造成空调系统换热效率降低。当冷却塔组合布置时，回流和干扰经常是同时存在的，两者将同时影响冷却塔周围的环境，进而影响冷却塔的换热效率[1-2]。本文利用计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)软件对深圳市某超高层建筑机房内部的冷却塔群布置进行研究分析，以达到最佳布置塔群的目的，从而设计出高效节能的空调系统。

1 工程概况

深圳市某建筑功能为写字楼，周围与大气相通，中心部分是电梯通道。冷却塔设备层在六～九层：六～七层布置冷却塔设备，八～九层布置静压箱，进风口通过进风筒引入新风，出风口布置在静压箱外侧，方便排出换热后的空气。冷却塔设备层呈八角形，机房左侧有3台冷却塔，机房右侧有6台冷却塔，机房北侧有4台冷却塔，风机单台风量450 000m3/h，四角分别开有进风口:宽×高为9×9m，三面出风，出风口:宽×高为8×8.7m。冷却塔安装在3m高的钢架基础上。冷却塔的出口余压180Pa，如图1所示。

图1 冷却塔平面图

2 物理模型

根据冷却塔群的实际尺寸，对冷却塔机房布置按实际尺寸建模，中心部分是电梯通道。由于研究的重点是气流组织的分布情况，忽略电梯通道建模进风口。由于百叶阻挡送风，按50%建模。影响内部气流组织的主要因素是3根水管，分别为冷却水供回水管和一根平衡管。其他一些小的水泵和阀门水表等小件设备对气流组织影响较小，忽略其物理模型，如图2所示[3-6]。

图2 机房结构简化模型图

3 数学模型

假设空气采用标准大气压，空气热扩散系数为0.003 35；本研究模拟计算采用κ-ε模型，计算在三维直角坐标中进行，三维不可压、稳态、湍流流动。用Simple算法求解上述控制方程的离散方程组，将能量方程与动量方程进行耦合求解。采用CFD模拟计算技术，对建好的模型求解分析。各控制方程写成式(1)～式(5)形式[7-8]。质量守恒方程(conservation of mass)：

(1)

动量守恒方程(conservation of momentum)

(2)

能量守恒方程(conservation of energy)

(3)

湍流能量守恒方程(turbulent kinetic equation)

(4)

(5)

式中：

ρ为流体密度，kg/m3；

ui为流体速度；

μ为流体的动力粘度m2/s；

P为流体的压力Pa；

T流体的温度℃；

k为导热系数W/(m·k)；

cp比热容kj/(kg·K)；

μt紊流度；

Gk为平均梯度产生的紊动能kj；

Gb浮生力产生的紊动能kj；

ε紊流耗散率；

Ym为可压缩紊流脉动扩张对总紊流耗散率；

Sk为k的源项；

C1ε、C2ε、C3ε为常数。

计算数学模型采用标准k-ε两方程模型，各方程的离散化均采用二阶迎风格式，同时为保证求解精度，在求解过程中，当连续性方程和动量方程的残差达到10-3，能量方程的残差达到10-6，认为计算收敛[9]。

3.1 边界条件

以冷却塔理想工况下的参数作为边界条件求解计算：环境温度33℃(气象站数据)；冷却塔出口温度37℃。在设置边界条件时，考虑湍流强度I(Turbulent Intensity)和水力半径D(Hydraulic Diamter)。冷却塔群边界条件设置如表1所示。

表1 冷却塔群气流组织边界条件设置数据

如图2所示，风箱进风口也做向下延伸到9m处，设置在排风管底部，排风口尺寸有两种规格，分别为1.1m×8.7m和8m×8.7m，排风主要是靠风箱排出。考虑到进风口消声器阻力的影响，经计算校核，进风口取实际值的50%建模。

根据现有冷却塔群的布置方案，对整个机房内部进行速度场和温度场分析；根据贝努力方程和传热学热量与流量的关系[8-10]，计算出需要的速度和流量的分布情况。通过边界条件试算，满足机外余压的条件下，风量也满足设计要求。

4 模拟方案计算结果分析

如图3～图4所示，在z=3m处，冷却塔进风口处，速度明显存在过大，在东南角处的进风最大风速达到6m/s。满足设计风量的同时，也会产生很大的噪声。

图3 冷却塔速度进风口,z=3m

图4 冷却塔速度矢量进风口,z=3m

如图5～图6所示，在西侧y=25m处，即2号塔，冷却塔进出风口处按假定的速度设定，机房内部的风速分布合理，不存在返混回流现象。说明假设合理，也验证了该模型正确性。

图5 西侧剖面速度场

图6 西侧剖面速度矢量场

如图7～图8所示，在北侧y=25m处，即4号塔和6号塔，冷却塔进风口出风口处按假定的速度设定，机房内部的风速分布合理，不存在返混回流现象。

图7 北侧剖面速度场

图8 北侧剖面速度矢量场

如图9～图10所示，在东侧y=25m处，即9号塔和12号塔，冷却塔进风口、出风口处按假定的速度设定，机房内部的风速分布合理，不存在返混回流现象。

图9 东侧剖面速度场

图10 东侧剖面速度矢量场

图11 冷却塔西北角立面进口速度场

图12 冷却塔西北角立面进口速度矢量场

如图11～图12所示，西北角立面图，可以很清楚地观察到进口的风速最大值6.5m/s，基本满足设计要求，但会有一定的噪声存在，对噪声的影响程度，还需现场测试和进一步研究。

如图13～图14所示，东北角立面图，进风口的开口尺寸大小也能满足设计风量要求。

图13 冷却塔东北角立面进口速度场

图14 冷却塔东北角立面进口速度矢量场

图15 冷却塔西南角立面进口速度场

如图15～图16所示，西南角立面图，进风口的开口尺寸大小也能满足设计风量要求。

图16 冷却塔西南角立面进口速度矢量场

如图17～图18所示，东南角立面图，进风口的开口尺寸大小也能满足设计风量要求。

图17 冷却塔东南角立面进口速度场

图18 冷却塔东南角立面进口速度矢量场

4.1 数值计算结果分析

由于温度分布需要计算水流量和返混率，以后会进一步深入研究，暂时只考虑速度分布情况分析。从图3～图4机房立面图(z=3m)和图5～图10塔群机房界面速度分布所示，冷却塔的进风口的风量是满足额定风量的。从图11～图18塔群机房入口速度立面图分布所示，当冷却塔进出风口的速度按照假设设定时，四角开口的风速都能达到4.2m/s。经校核计算，风机进风口的风量为50.3万m3/h，完全达到设计规范的额定风量[11]。利用CFD对复杂环境下机房进行分析合理布置风口，提高了冷却塔的换热效率。

4.2 速度结果分析

如图3～图4所示，在z=3m处，冷却塔进风口处，速度明显存在过大，在东南角处的进风最大风速达到6m/s。满足设计风量的同时，也会产生很大的噪声。

综上，假定冷却塔口风速条件下的机房进风口处速度和风量详见表2。

表2 假定冷却塔风速条件下的机房进风口处速度和风量

注：1#东侧带防白雾盘管，2#东侧不带防白雾盘管,风机进风口静压差取值范围内的数值是其中有一台塔的风量达到额定风量需要的参数。

5 现场测试

测试工况要求：①检查冷却水系统阀门，保证系统贯通，将系统补满水；②开启单台冷却水泵，调整冷却水流量达到冷却塔额定流量，即1000m3/h；③开启单台冷却塔的风机，调整风机频率到额定频率，即50Hz。

2018年6月23日，工程项目附近气象站数据；环境风速3．7m/s；环境温度33℃；冷却塔出口温度37℃。

由测试工程师和施工单位技术员一起，用风速测试仪，采用用热球风速仪测定风口平面风口风量。

如表3所示，测试结果显示冷塔风量基本达到额定风量，其中5#冷却塔实测风量比额定风量偏大8%，6#冷却塔偏小2%，13#冷却塔偏小8%，偏差范围在±10%以内，符合设计要求。

表3 冷塔风量测试数据表

从实验测试数据显示，5号塔速度较高和13号塔速度较低，塔的布置相对紧密，有部分换热后的气流回到了冷却塔的入口，造成了回流现象。为进一步分析确认这种现象，又截取了四角进风口处的流速分布情况，基本都能满足设计风量[10]。

6 结语

本文建立了简化的机房内部模型，并且利用仿真软件模拟了机房半封闭空间的四角进风后的速度场分布情况，校核了机房的四角进风口处的风量完全满足设计风量。通过现场测试风量的方法，测试了冷却塔群的气流组织分布情况，验证了实际风量满足设计风量，同时也验证了该方法的正确性，为类似工程提供参考依据。