董國朝等

摘要：對運(yùn)行狀態(tài)下的某超大型雙曲冷卻塔的內(nèi)表面平均風(fēng)壓進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬.在計(jì)算流體動力學(xué)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用DPM模型結(jié)合UDF函數(shù)方法加入源項(xiàng)來研究某超大型冷卻塔內(nèi)表面平均風(fēng)壓分布；塔中水相采用了拉格朗日方法模擬，而空氣相采用歐拉方法模擬，較好地實(shí)現(xiàn)了冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)外流場計(jì)算及其與傳熱傳質(zhì)的耦合計(jì)算，分析了運(yùn)行狀態(tài)下冷卻塔橫風(fēng)向來流時(shí)的內(nèi)壓分布規(guī)律.無側(cè)風(fēng)工況下計(jì)算結(jié)果顯示，塔運(yùn)行過程中的內(nèi)表面壓力對稱性良好，出水溫度與實(shí)測結(jié)果相符，驗(yàn)證了本文提出的塔運(yùn)行過程中的傳熱傳質(zhì)計(jì)算方法的正確性.側(cè)風(fēng)工況下得到塔內(nèi)壓力系數(shù)沿高度方向相應(yīng)變大，而沿緯向變化不明顯.同時(shí)討論了中國規(guī)范對內(nèi)表面壓力系數(shù)的取值不完善之處，給出了建議取值，為超大型冷卻塔設(shè)計(jì)過程中的內(nèi)壓計(jì)算提供方法和依據(jù).

關(guān)鍵詞：冷卻塔；平均風(fēng)荷載；數(shù)值模擬；傳熱傳質(zhì)；離散相模型（DPM）

中圖分類號：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

超大型雙曲自然通風(fēng)冷卻塔是一種大型空間薄壁開口結(jié)構(gòu)，普遍用于發(fā)電廠中循環(huán)水冷卻，風(fēng)荷載對其安全性的影響起決定性作用.隨著電站裝機(jī)容量的增加，冷卻塔也向高大化發(fā)展.如湖南、湖北擬建和在建的塔高分別達(dá)到200 m和220 m.

隨著英國渡橋電廠冷卻塔的倒塌，工程界對于冷卻塔的風(fēng)荷載給予了極大關(guān)注[1-5] ，并制定了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范.而英國規(guī)范和德國規(guī)范則相對完善，并被他國參考.由于塔體包括內(nèi)、外兩個(gè)表面，因此涉及到外風(fēng)壓載荷以及內(nèi)風(fēng)壓載荷，以往的許多研究主要是針對塔的外表面風(fēng)壓，而對于內(nèi)表面的風(fēng)壓研究較少.孫天風(fēng)等[2]對中國的茂名塔進(jìn)行了內(nèi)壓實(shí)測，結(jié)果顯示，迎風(fēng)面受到的內(nèi)外壓的作用力方向一致，兩者的疊加作用將導(dǎo)致子午向的應(yīng)力顯著增大.且有資料[3]表明，英國渡橋電廠冷卻塔倒塌，主要是由于迎風(fēng)面子午向鋼筋受拉屈服斷裂造成的.因此，在冷卻塔風(fēng)荷載設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮內(nèi)壓的影響.

李鵬飛等[1]認(rèn)為塔內(nèi)表面壓力系數(shù)沿環(huán)向、高度均勻分布，假定其為某個(gè)數(shù)值.Kawarabata等[6]認(rèn)為內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.4～-0.50，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.45.德國規(guī)范[7]將內(nèi)表面的風(fēng)壓系數(shù)取定值為-0.50.中國規(guī)范只對165 m高度以下的雙曲型冷卻塔外表面的風(fēng)壓進(jìn)行了規(guī)定[8-9]，而對于內(nèi)壓，規(guī)范中并未提及其具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).內(nèi)壓研究正被越來越多的學(xué)者所重視，但是冷卻塔在運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)壓系數(shù)研究尚少見文獻(xiàn)涉及.不同的學(xué)者和文獻(xiàn)的各種取值差異較大，而如何借鑒各國的規(guī)范來指導(dǎo)中國的設(shè)計(jì)，有必要做充分的研究.然而，內(nèi)壓研究存在其固有困難：現(xiàn)場實(shí)測由于受到外部天氣因素及塔內(nèi)運(yùn)行的影響，難于得到最不利工況結(jié)果；實(shí)驗(yàn)室測試卻無法重現(xiàn)其真實(shí)運(yùn)行過程中的填料壓降以及上升抽力等條件.因此，數(shù)值模擬由于其條件易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)越性成為其中重要的研究手段.

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，對商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行二次開發(fā)，采用其中的離散相（Discrete Phase Model，DPM）模型，結(jié)合用戶自定義函數(shù)（User Defined Functions，UDF），在冷卻塔填料區(qū)域中加入熱水程序，采用歐拉方法對空氣相進(jìn)行模擬，采用拉格朗日方法對水相進(jìn)行模擬，在填料區(qū)域中水流流動的水膜性質(zhì)通過給定速度的液滴流來近似，通過熱水與空氣之間的熱交換來模擬冷卻塔在實(shí)際運(yùn)行過程中塔內(nèi)發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程.得到一套反映真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)下冷卻塔的內(nèi)壓確定方法，并且研究其在50年重現(xiàn)期風(fēng)速下的內(nèi)表面風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律及流場特性，為冷卻塔的內(nèi)壓確定提供依據(jù)和方法，并指導(dǎo)其設(shè)計(jì).

1自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔簡介

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔是一種空氣和熱循環(huán)水混合接觸式換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖1所示.從冷凝器中出來的熱水進(jìn)入塔內(nèi)淋水系統(tǒng)，淋水系統(tǒng)將熱水噴灑在下面的多孔介質(zhì)填料中，熱水經(jīng)過填料的時(shí)候與空氣發(fā)生傳熱傳質(zhì)以后成雨?duì)盥淙胨刂?，其主要傳熱傳質(zhì)區(qū)由配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)組成.熱循環(huán)水經(jīng)配水噴嘴噴出后分別以水滴、水膜和水滴的形式依次經(jīng)配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)進(jìn)行對流傳熱傳質(zhì)，然后落入底部蓄水池并由循環(huán)水泵輸送回凝汽器內(nèi)循環(huán)再用.作為冷源的環(huán)境空氣經(jīng)塔入口依次進(jìn)入雨區(qū)、填料區(qū)和配水區(qū)，變?yōu)闇囟容^高、密度較小的近乎飽和的熱濕空氣而沿著塔往上運(yùn)動，在塔內(nèi)形成上升的抽力，最后攜帶著熱量被排放到大氣中，整過過程中不需要任何機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，所以稱為自然通風(fēng)冷卻塔.

以往文獻(xiàn)[10]關(guān)于冷卻塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)研究主要是針對塔內(nèi)工藝方面，而通過模擬塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)來研究塔內(nèi)壓力分布規(guī)律的相對較少.

2計(jì)算理論及方法

在FLUENT中，描述熱、質(zhì)量和動量傳輸?shù)目諝猓ㄟB續(xù)相）流動方程可以寫成以下統(tǒng)一形式：

3計(jì)算參數(shù)

幾何參數(shù)：受某電力設(shè)計(jì)院的委托進(jìn)行本文的相關(guān)研究并將此研究作為技術(shù)儲備.本文所研究的冷卻塔塔高220 m，為當(dāng)前第一高塔.其主要參數(shù)為：淋水面積20 000 m2，塔筒底部標(biāo)高13.45 m，塔筒底部直徑169.878 m，喉部標(biāo)高169.4 m，喉部直徑103.545 m，塔頂出口直徑109 m.

計(jì)算域及邊界條件：計(jì)算域及邊界條件如圖2所示.由圖2可知，滿足阻塞比小于5%的要求.入口邊界條件為速度入口；出口采用壓力出口邊界條件，相對壓力選為零；流域側(cè)壁以及頂部采用自由滑移壁面條件；地面采用無滑移壁面邊界條件；冷卻塔表面為具有粗糙度的無滑移壁面邊界條件，粗糙度的施加參考文獻(xiàn)[13]中的方法；塔底只考慮填料區(qū)與雨區(qū)的影響，初始階段先在填料區(qū)頂部建立一個(gè)面施加熱水水滴，熱水經(jīng)過填料區(qū)以及雨區(qū)過程中進(jìn)行傳熱傳質(zhì)交換，通過UDF編寫源項(xiàng)以及阻力項(xiàng)實(shí)現(xiàn).

冷卻塔所在地為B類地貌，地面粗糙度系數(shù)α為0.16.入口處速度剖面和湍流度采用規(guī)范[8]中的指數(shù)率形式，該地區(qū)10 m高度處50年重現(xiàn)期最大平均風(fēng)速為25 m/s.地面高度30 m處湍流強(qiáng)度為16%.

湍流模型：本計(jì)算按風(fēng)剖面輸入風(fēng)速計(jì)算，喉部位置的雷諾數(shù)超過107，屬于完全發(fā)展的湍流階段；本研究雖然涉及到傳熱傳質(zhì)計(jì)算，而對于風(fēng)場的模擬依然是一個(gè)典型的由于逆壓梯度而引起分離的鈍體繞流問題；同時(shí)，本文討論的結(jié)果主要是內(nèi)表面的平均壓力系數(shù)，對脈動信息要求低，因而采用模擬逆壓梯度引起流體分離具有較高精度的剪切應(yīng)力輸運(yùn)kω模型.

計(jì)算工況及主要參數(shù)：工況參數(shù)由設(shè)計(jì)院通過實(shí)測提供.干球溫度308.47 K，濕球溫度299.73 K，大氣壓力為98.1 kPa，進(jìn)塔水溫為316.5 K，出塔水溫為303.61～305.06 K，進(jìn)塔水質(zhì)量流量為70 328.6 t/h，水滴直徑為5 mm，相對濕度為80%.

網(wǎng)格劃分：由于計(jì)算既包含傳熱傳質(zhì)計(jì)算，同時(shí)也包含外流場側(cè)風(fēng)計(jì)算，兩種計(jì)算的混合非常復(fù)雜，存在計(jì)算收斂較難的風(fēng)險(xiǎn)，因此全流域采用六面體網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進(jìn)行嚴(yán)格的細(xì)化處理，網(wǎng)格延伸率都為1.05，Yplus控制在2以下，本計(jì)算中的Yplus值符合SST湍流模型的要求，同時(shí)網(wǎng)格延伸率也比相關(guān)文獻(xiàn)[14]建議值小，遵循了嚴(yán)格的網(wǎng)格劃分方法，因此計(jì)算中忽略了網(wǎng)格無關(guān)性測試.本計(jì)算中在網(wǎng)格劃分中忽略人字柱，其引起的壓力損失通過施加源項(xiàng)來補(bǔ)償.網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格單元總數(shù)為5 738 890個(gè).

4計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算包括兩個(gè)工況：工況1為無風(fēng)時(shí)塔的傳熱傳質(zhì)計(jì)算，通過與實(shí)測結(jié)果比較，以驗(yàn)證本文研究方法的正確性；工況2為B類側(cè)風(fēng)下塔在運(yùn)行過程中的內(nèi)壓計(jì)算研究.先計(jì)算純風(fēng)場下的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，然后噴入熱水進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂，將前面穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初場，最后進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算.瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步為0.001 s.計(jì)算在長沙理工大學(xué)的數(shù)值仿真研究中心的雙CPU、12核工作站上進(jìn)行，總耗時(shí)約為18 d.

4.1方法驗(yàn)證工況計(jì)算

對無側(cè)風(fēng)下運(yùn)行塔進(jìn)行計(jì)算，通過比較運(yùn)行塔的出水溫度、塔內(nèi)的流場特性以及內(nèi)壓對稱性來驗(yàn)證本文方法在運(yùn)行工況下內(nèi)壓計(jì)算的準(zhǔn)確性.在該工況下計(jì)算得到的出塔平均水溫為305.8 K，相比于實(shí)測出塔水溫303.61～305.06 K吻合良好.圖4描述了靜風(fēng)時(shí)刻塔內(nèi)溫度等值線圖以及水池位置的溫度等值線圖.由圖4可知，冷卻塔左右兩側(cè)環(huán)境空氣呈現(xiàn)對稱形式流入塔內(nèi).環(huán)境空氣進(jìn)入塔內(nèi)后，由于塔自身形成的抽力作用和雨區(qū)水滴對空氣運(yùn)動的阻力作用，沿徑向雨區(qū)空氣流速不斷減少，在塔雨區(qū)中心位置出現(xiàn)最小值.而由于雨區(qū)中心位置風(fēng)速最小，塔內(nèi)的中心位置的空氣溫度最高.

塔內(nèi)溫度等值線基本呈對稱分布，在塔出口位置對稱性略差，究其主要原因是本文編寫的UDF程序并未考慮一些工藝上的細(xì)節(jié)，比如只考慮了雨區(qū)以及填料區(qū)，而在填料區(qū)中水流流動的水膜性質(zhì)通過給定速度的液滴流來近似，從而造成一定的誤差.

然而，由于本文主要研究對象是運(yùn)行工況下塔內(nèi)的壓力問題，圖5（a）中塔內(nèi)壓力分布情況也顯示，塔中面壓力等值線圖對稱性良好，隨著高度越高壓力越大，而在填料區(qū)上下呈現(xiàn)出了良好的壓降情況；而圖5（b）中塔的內(nèi)壓等值線圖也表明，沿著塔的高度方向，壓力均勻分布，且對稱性良好，高度越高壓力越大.塔出水的平均溫度為305.8 K也與實(shí)測結(jié)果相符，塔內(nèi)壓問題的分析相對于塔工藝的計(jì)算分析來說對于塔內(nèi)的溫度以及速度的對稱性要求相對較小，所以，綜合各種指標(biāo)表明本文計(jì)算方法滿足內(nèi)壓分析的要求.

4.2側(cè)風(fēng)工況下運(yùn)行塔內(nèi)壓計(jì)算結(jié)果

圖6為B類風(fēng)場下塔運(yùn)行時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)特征圖，h為冷卻塔高度，z為水平截面高度.圖中顯示，各高度內(nèi)壓曲線基本上沿緯向角分布均勻，而且壓力系數(shù)隨著高度的增加而緩慢變大，表明在側(cè)風(fēng)的影響下，施加在雨區(qū)和填料區(qū)阻力和壓降對內(nèi)壓起到明顯的整流作用.不同高度內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.48～-0.41，峰值為-0.51～-0.403.整塔內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.449，喉部位置內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.43.

4.3側(cè)風(fēng)下塔內(nèi)流場特性分析

圖7描述了B類風(fēng)場下運(yùn)行時(shí)塔內(nèi)流動特性.圖7（a）表明塔內(nèi)溫度場保持相對均勻，由于側(cè)風(fēng)的影響，流場的對稱性被打破，上游入口位置溫度明顯比下游入口溫度低，塔底位置背風(fēng)區(qū)附近出現(xiàn)了一個(gè)高溫區(qū)，而塔外的背風(fēng)區(qū)也有一個(gè)相對于外圍空氣溫度的高溫區(qū).塔底的速度（圖7（b））也由于側(cè)風(fēng)的影響而不均勻，上游側(cè)風(fēng)直接穿過雨區(qū)以及填料區(qū)而在塔內(nèi)迎風(fēng)面形成一個(gè)漩渦，而雨區(qū)的背風(fēng)位置出現(xiàn)了一個(gè)低速區(qū)，導(dǎo)致此處的溫度升高而嚴(yán)重影響塔的冷卻效果.塔內(nèi)壓力圖（圖7（c））顯示，由于塔內(nèi)抽力的原因，塔內(nèi)壓力沿著高度方向相應(yīng)變大，塔內(nèi)整體壓力分布雖然由于側(cè)風(fēng)的影響而出現(xiàn)不均勻，但是經(jīng)過填料區(qū)和雨區(qū)的整流，塔內(nèi)的壓力分布從數(shù)值上沿著緯向角變化并不明顯.

4.4規(guī)范內(nèi)壓系數(shù)取值的探討

目前最高的冷卻塔在德國，高度為200 m，與文中計(jì)算塔高220 m基本上處于同一量級，德國規(guī)范規(guī)定內(nèi)壓系數(shù)取常值-0.5，本文計(jì)算結(jié)果最小峰值為-0.51，各截面高度平均值最小為-0.48，兩者取值比較接近.從壓力損失的角度分析，由于塔為開口結(jié)構(gòu)，并且塔內(nèi)為自然對流運(yùn)動，內(nèi)部抽力應(yīng)該在越接近開口的地方抽力越小，越靠近底部抽力相應(yīng)變大，中間應(yīng)該是緩慢過渡，本文計(jì)算結(jié)果符合此規(guī)律，德國規(guī)范針對塔所有高度取同一值相對偏安全.文獻(xiàn)[4]建議內(nèi)壓系數(shù)取值為-0.4～-0.5，而且設(shè)計(jì)時(shí)采用-0.45，略大于本文結(jié)果，對于本文220 m的超高塔來說，局部內(nèi)壓取值稍微偏不安全.因此，從安全的角度考慮，建議對于220 m高度級別的冷卻塔風(fēng)荷載的內(nèi)壓系數(shù)選取參考德國規(guī)范.

5結(jié)論

1）本文以CFD軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，得到了冷卻塔真實(shí)運(yùn)行過程中的傳熱傳質(zhì)過程，還原了塔內(nèi)真實(shí)流動特征，提出了一種計(jì)算冷卻塔運(yùn)行過程中的內(nèi)壓系數(shù)計(jì)算方法，并通過無側(cè)風(fēng)時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性.

2）側(cè)風(fēng)下，施加在雨區(qū)和填料區(qū)的阻力和壓降對內(nèi)壓起到明顯的整流作用，各截面高度內(nèi)壓系數(shù)曲線沿緯向角分布均勻，而且由于塔內(nèi)自然對流抽力的原因，壓力系數(shù)隨著高度的增加而緩慢變大.

3）在B類風(fēng)場下塔運(yùn)行時(shí)的整塔內(nèi)壓系數(shù)平均值計(jì)算結(jié)果為-0.449，喉部位置內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.43，不同高度內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.41～-0.48.因此，從安全的角度出發(fā)，建議對于220 m高度的級別的冷卻塔風(fēng)荷載的內(nèi)壓系數(shù)選取參考德國規(guī)范.

4）本文結(jié)論是基于高度為220 m量級的逆流式自然對流冷卻塔計(jì)算分析得到，塔的內(nèi)壓系數(shù)取值大小與塔高度之間的關(guān)系還需要做進(jìn)一步深入研究.

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