高位集水冷卻塔集水裝置阻力特性數(shù)值模擬研究

郭富民，趙順安，楊智

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所，北京100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院圖書學(xué)報(bào)部，北京100038）

高位集水冷卻塔集水裝置阻力特性數(shù)值模擬研究

郭富民1，趙順安1，楊智2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所，北京100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院圖書學(xué)報(bào)部，北京100038）

高位集水冷卻塔是在常規(guī)冷卻塔的填料下方增設(shè)了一層集水裝置，研究集水裝置的阻力特性對于計(jì)算冷卻塔通風(fēng)量具有重要意義。本文采用FLUENT流體計(jì)算軟件，研究了集水裝置氣流特性。通過數(shù)值模擬計(jì)算，得出了集水裝置的阻力系數(shù)值以及不同填料阻力和集水裝置深度對阻力系數(shù)的影響均不大；數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果與已知的試驗(yàn)結(jié)果對比表明，兩者吻合良好，計(jì)算成果可供高位集水冷卻塔的研究和設(shè)計(jì)參考。

集水裝置；阻力特性；鈍體繞流；多孔介質(zhì)

1 研究背景

高位集水冷卻塔出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是一種新型節(jié)能冷卻塔。目前，高位集水冷卻塔在歐洲，特別是核電占電力供應(yīng)比重較大的法國，應(yīng)用比較普遍和成熟；而在我國，只有蒲城電廠兩臺330MW機(jī)組采用該類型塔，該塔規(guī)模較小，在設(shè)計(jì)之初沒有進(jìn)行過相應(yīng)研究，不能為我國高位塔的工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供充足的參考和依據(jù)。國外對高位塔雖有一定研究成果及諸多工程應(yīng)用實(shí)例，但其相關(guān)設(shè)計(jì)資料很難在公開的文獻(xiàn)中獲得，因此有必要對高位集水冷卻塔進(jìn)行系統(tǒng)地基礎(chǔ)性自主研發(fā)工作。冷卻塔的阻力計(jì)算是冷卻塔熱力計(jì)算的重要內(nèi)容之一，高位集水冷卻塔與常規(guī)冷卻塔在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別在于進(jìn)風(fēng)口區(qū)域增加了集水裝置，集水裝置的增加勢必影響冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的流場分布及其阻力特性，進(jìn)而影響冷卻塔的熱力性能。集水裝置的阻力特性到底如何尚無從得知，為此，很有必要研究集水裝置的阻力特性。

氣流流經(jīng)集水裝置的過程屬于鈍體繞流，鈍體繞流問題雖然由來已久，但也僅限于鈍體結(jié)構(gòu)形式相對簡單的圓柱繞流和方柱繞流［1-3］；在鈍體結(jié)構(gòu)系中，鈍體結(jié)構(gòu)的氣流阻力特性相互影響，具體影響程度不僅與鈍體的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)系，還受鈍體結(jié)構(gòu)布置形式以及氣流運(yùn)動狀態(tài)的影響。集水裝置屬于形狀比較復(fù)雜的鈍體結(jié)構(gòu)系，對于該類結(jié)構(gòu)的研究更是十分少見，所以在對高位集水冷卻塔進(jìn)行熱力計(jì)算或數(shù)值模擬時(shí)缺乏對集水裝置這一阻力構(gòu)件的阻力特性的最基本的認(rèn)識，計(jì)算或模擬時(shí)具有一定的盲目性。

本文采用FLUENT軟件［4-5］，通過數(shù)值模擬計(jì)算重點(diǎn)研究了高位集水冷卻塔中常用的集水裝置的阻力特性、不同集水槽深度的集水裝置之間阻力特性的差別以及填料阻力系數(shù)對集水裝置的阻力特性受的影響，可以為高位集水冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)，具有重要的意義。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 空氣流場控制方程本文主要研究氣流在流經(jīng)集水裝置時(shí)的空氣動力特性，可以認(rèn)為氣體運(yùn)動為不可壓縮定常流，符合雷諾平均N-S方程，并采用k-ε雙方程湍流模型對雷諾應(yīng)力進(jìn)行封閉?？諝饬鲌龅目刂品匠炭杀硎救缦拢?/p>

連續(xù)方程：

動量方程：

氣體狀態(tài)方程：

K方程：

ε方程：

式（1）～式（5）中：ρ為密度，kg/m3；為速度矢量，m/s；τˉ為應(yīng)力，Pa；p為壓強(qiáng)，Pa；g為重力加速度，m/s2；為側(cè)體力，N；R為氣體常數(shù)；T為開爾文溫度，K；μ為層流黏性系數(shù)，kg/（m2·s）；μt為湍流黏性系數(shù)，kg/（m2·s）；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力引起的湍流動能。此外：湍流常數(shù)取值見表1。

2.2 網(wǎng)格劃分本文主要研究集水裝置自身的阻力特性，模擬范圍內(nèi)包含25塊集水裝置，為降低邊壁對集水裝置的真實(shí)阻力特性的影響，在數(shù)據(jù)處理時(shí)僅對中間5塊集水裝置的流體特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。計(jì)算域模擬范圍為47.3m×60.0m，計(jì)算域見圖1。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對研究所關(guān)心的區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格最小面積為0.025m2，最大面積為1.617m2，網(wǎng)格數(shù)量約40萬。

2.3 邊界條件邊界條件設(shè)置：下部為速度入口邊界條件，頂部為壓力出口邊界條件，兩側(cè)設(shè)置為固壁邊界條件。

2.4 阻力系數(shù)計(jì)算公式通過集水裝置的阻力系數(shù)按下式計(jì)算：

其中：ε為阻力系數(shù)；Δp為集水裝置上下游壓降，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；v為集水裝置斷面的平均流速，m/s。

3 計(jì)算驗(yàn)證

本文主要是采用數(shù)值模擬的方法研究集水裝置的阻力系數(shù)，而現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中并沒有對集水裝置這一鈍體結(jié)構(gòu)系阻力特性的相關(guān)研究，缺少集水裝置的阻力系數(shù)值及計(jì)算方法，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠與否缺乏基本驗(yàn)證資料。考慮到集水裝置與格柵都屬于鈍體結(jié)構(gòu)系這一情況，為此，可以采用同樣的模擬方法對格柵進(jìn)行模擬計(jì)算并與采用格柵的阻力系數(shù)計(jì)算公式［6］計(jì)算的阻力系數(shù)值進(jìn)行比較，對采用的數(shù)值模擬方法的可靠性作一簡單驗(yàn)證，也即從一個(gè)側(cè)面對采用此種數(shù)值模擬方法計(jì)算的集水裝置的阻力系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

計(jì)算域模擬范圍為34.0m×30.0m，方柱尺寸為0.4m×0.8m，共包含17個(gè)方柱（見圖2），對二維計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對局部進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)量從1.1萬變化到12.2萬的計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2計(jì)算結(jié)果可知，在不同網(wǎng)格數(shù)量情況下，兩種方法計(jì)算的阻力系數(shù)相差百分比全部在5％以內(nèi)，說明采用的數(shù)值模擬方法是可靠的，采用此數(shù)值模擬方法對集水裝置的阻力特性對集水裝置進(jìn)行的研究結(jié)果也是可靠的。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 網(wǎng)格敏感性分析網(wǎng)格疏密程度影響計(jì)算誤差，同時(shí)也決定著計(jì)算效率和計(jì)算成本。隨著網(wǎng)格密度的增加，計(jì)算結(jié)果的精度得到提高，當(dāng)網(wǎng)格加密到一定程度，計(jì)算結(jié)果的精度并不會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加成比例的增加，相反還可能會帶來新的格式誤差，所以，很有必要對網(wǎng)格的疏密程度進(jìn)行相應(yīng)的分析。本文通過對Ⅰ種集水槽深度的集水裝置通過調(diào)節(jié)其網(wǎng)格疏密程度來實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)而對網(wǎng)格進(jìn)行敏感性分析，當(dāng)計(jì)算的阻力系數(shù)值基本不再變化時(shí)可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)足夠。集水槽見圖3，計(jì)算結(jié)果整理見圖4。

由圖4中曲線不難發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算的阻力系數(shù)值越來越接近某一特定的真實(shí)值，即誤差越來越小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到40萬左右時(shí)，計(jì)算的阻力系數(shù)值基本穩(wěn)定，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量是沒必要的，在后續(xù)的計(jì)算分析中是在此網(wǎng)格密度下進(jìn)行。

4.2 阻力系數(shù)與填料斷面氣流平均速度的變化關(guān)系阻力系數(shù)與雷諾數(shù)存在一定的變化關(guān)系，待流場進(jìn)入阻力平方區(qū)后，其阻力系數(shù)將不再變化，阻力平方區(qū)時(shí)研究的流場特性才有意義。集水裝置這一鈍體結(jié)構(gòu)系形狀非常復(fù)雜，氣流在流經(jīng)集水裝置時(shí)其雷諾數(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)算；另外，對于集水裝置這一結(jié)構(gòu)形式的臨界雷諾數(shù)也不得而知，所以，無法直接確定何時(shí)進(jìn)入阻力平方區(qū)。為了確保研究是在阻力平方區(qū)中進(jìn)行，數(shù)值模擬時(shí)在速度入口設(shè)置不同大小的氣流流速，分析其阻力系數(shù)隨速度變化的關(guān)系，待阻力系數(shù)穩(wěn)定后，可以判定流態(tài)進(jìn)入阻力平方區(qū)，此時(shí)的阻力系數(shù)值即為該集水裝置的阻力系數(shù)值。填料當(dāng)量阻力系數(shù)為25.5時(shí)，集水裝置阻力系數(shù)隨填料斷面的速度變化關(guān)系見圖5。由圖5可以看出，填料的阻力系數(shù)為25.5時(shí)，填料斷面風(fēng)速達(dá)到1.5m/s以后阻力系數(shù)基本穩(wěn)定，流態(tài)進(jìn)入阻力平方區(qū)，此時(shí)該種集水裝置自身的阻力系數(shù)值為2.55。

4.3 填料阻力系數(shù)對集水裝置阻力系數(shù)的影響冷卻塔在運(yùn)行時(shí)，填料高度以及填料形式的不同都將導(dǎo)致填料區(qū)阻力系數(shù)的不同，填料區(qū)阻力系數(shù)的不同勢必會影響冷卻塔內(nèi)氣流場分布，這也將導(dǎo)致塔內(nèi)其他阻力構(gòu)件的阻力系數(shù)發(fā)生變化。在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，對填料區(qū)采用多孔介質(zhì)模型，通過設(shè)置多孔介質(zhì)的阻力特性的相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對不同當(dāng)量阻力系數(shù)填料的模擬，共模擬了0.0，15.0，25.5，33.0，46.5五種填料阻力系數(shù)下的情況（阻力系數(shù)為0.0時(shí)指實(shí)際塔中不布置填料的情況），集水裝置阻力系數(shù)隨填料阻力系數(shù)的變化關(guān)系見圖6。

從圖6中曲線可以看出，在填料阻力系數(shù)為0.0時(shí)，集水裝置阻力系數(shù)要大于安放填料時(shí)的阻力系數(shù)，這是由于填料的安放，對流場起整流、穩(wěn)定流場的作用，流場趨于均勻；在所模擬的另外四種阻力系數(shù)填料情況下，集水裝置阻力系數(shù)基本無變化，可見集水裝置阻力特性受填料阻力系數(shù)影響較小。

4.4 三種集水槽深度的集水裝置阻力系數(shù)分析比較集水裝置的阻力特性是與其自身的結(jié)構(gòu)形式分不開的，在集水槽寬度一定的情況下，隨淋水密度與單塊集水裝置控制的匯水面積的不同，將導(dǎo)致所需要的集水裝置集水槽深度的不同，集水槽深度不同，其阻力系數(shù)也會有所差別。對如圖3所示的集水槽，本部分共對集水槽中三種H2深度的集水裝置進(jìn)行了模擬計(jì)算，阻力特性結(jié)果見表3。

從表3中很容易看出，集水裝置阻力系數(shù)值隨集水槽深度的降低略有減小，但減小幅度不大，即集水裝置時(shí)的阻力特性受集水槽深度的影響很小。

5 結(jié)論

本文采用FLUENT流體計(jì)算軟件，對高位集水冷卻塔中的集水裝置阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先對采用的數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證，對方柱模擬計(jì)算的驗(yàn)證表明，此數(shù)值模擬的誤差在5％以內(nèi)，吻合良好。對集水裝置模擬分析結(jié)果表明：集水裝置阻力系數(shù)受填料阻力系數(shù)以及集水槽深度的影響程度均不大；同時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算得出了所研究的集水裝置的阻力系數(shù)值為2.55。

［1］顧志福，孫天風(fēng).三圓柱繞流的實(shí)驗(yàn)研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，2000，18（4）：441-447.

［2］王亞玲，劉應(yīng)中，廖國平.圓柱繞流的三維數(shù)值模擬［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35（10）：1465-1469.

［3］畢繼紅，余化軍，任洪鵬.靜止方柱和圓柱繞流的二維數(shù)值分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（1）：41-45.

［4］FLUENT.User′s guide［M］.Lebanon，USA：FLUENT Inc.2003.

［5］李紅莉，趙順安.鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔空氣動力特性數(shù)值模擬研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，11（3）：206-209.

［6］伊德利契克.華紹曾等編譯.實(shí)用流體阻力手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985.

Study on the num erical sim u lation of the w ater collecting devices’resistance characteristics in the high-level w ater collecting cooling tow er

GUO Fu-m in，ZHAO Shun-an，YANG Zhi
（China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

A layer of water collecting devices is added under the filler in the cooling tower with high-level water collecting compared to the conventional.So the research on the water collecting devices’resistance characteristics has great significance for calculating ventilation quantity of the cooling tower.This paper has studied the air flow characteristics of the water collecting devices through FLUENT software.It’s found that the drag coefficient value obtained through numerical simulation is not affected greatly by different drag coef?ficient fillers and the depths of the devices.At the same time，the results from calculation model are con?sistent with known experimental results.Therefore，the achievement on the water collecting devices by adopt?ing this calculation model may provide reference for the research and design of the high-level water collect?ing cooling tower.

water collecting devices；resistance characteristics；flow around bluff body；porous medium

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.016

1672-3031（2014）01-0093-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2013-05-20

郭富民（1989-），男，安徽亳州人，碩士生，主要從事冷卻塔方面的研究。E-mail：fumng@163.com