中英整理内陆核电厂用水系统冷却塔空气动力特性数值模拟汇总.docx

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中英整理内陆核电厂用水系统冷却塔空气动力特性数值模拟汇总

鼓风式机械通风冷却塔空气动力特性数值模拟研究

赵顺安、李红莉、毋飞翔

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

Numericalresearchonaerodynamiccharacteristicsoftheforceddraft

mechanicalcoolingtower

ZhaoShunan、LiHongli、WuFeixiang

（ChinaInstituteofWaterResourceandHydropowerResearch,Beijing100038）

摘要：

鼓风式机械通风冷却塔常用于核电厂的重要厂用水系统，但相关设计规范并没有给出冷却塔的空气动力特性计算公式。

本文采用Fluent软件对鼓风式机械通风冷却塔的空气动力进行了数值模拟计算，对冷却塔的设计布置进行了优化，分析总结给出了冷却塔阻力计算公式。

结果表明，填料安装位置对鼓风式机械通风冷却塔整塔阻力影响不大，但会影响填料断面风速分布均匀性，填料安装高度越低，风速分布越均匀；出口收缩段的高度越高，整塔阻力越小，风速分布越均匀；出口收缩段与水平的夹角越大，整塔阻力系数越小，但变化趋势不明显，收缩角基本不影响填料断面风速分布均匀性。

关键词：

鼓风式冷却塔；塔型；阻力系数；风速均匀性

Abstract:

Theforceddraftmechanicalcoolingtowerisalwaysusedinanuclearpowerplant,whiletherelevantdesignspecificationshavenotformulaabouttheaerodynamiccharacteristicsofcoolingtower.ThispaperusesFLUENTsoftwaretosimulateandstudytheaerodynamiccharacteristicsoftheforceddraftmechanicalcoolingtower,andoptimizethedesignofthecoolingtower,andanalysistosummarizethecoolingtowerresistancecalculativeformula.Theresultsshowthattheheightofthefillhaslittleeffectsonthewholetowerresistancecoefficient,butitinfluencesthewindvelocitydistributionuniformityofthefillsection,thelowerthepositionis,themoreuniformthewindvelocitydistributionis;theconvergentsectionheightishigher,thewholetowerresistanceissmallerandthewindvelocitydistributionismoreuniform.Theanglebetweenconvergentsectionandhorizonisbigger,thewholetowerresistanceissmaller,whilethistrendisnotobvious,itdoesnotaffectthewindvelocitydistributionuniformityonthefillsection.Keywords:

theforceddraftmechanicalcoolingtower,towershape,resistancecoefficient,windvelocitydistributionuniformity

1研究背景

内陆核电厂的重要厂用水的水量不大，但却影响核电厂的安全。

鼓风式机械通风冷却塔能较好地适应核电对安全性和抗震性能的要求而常被内陆核电厂采用。

鼓风式机械通风冷却塔不仅在通风方式上有别于常规的抽风式机械通风冷却塔，在塔型结构布置上也有明显差异。

我国的相关设计规范和资料对鼓风式机械通风冷却塔没有明确的设计计算方法

[1～5]。

为了解塔内气流特性并对塔型进行优化，需要通过相关的研究来确定其空气动力特性。

通过物理模型试验来研究冷却塔空气动力特性是一个十分有效的手段，但是由于鼓风式机械通风冷却塔模型本身的复杂性及系统试验的塔型的变化，使模型试验研究工作量和投资都很大。

本文利用Fluent软件建立鼓风式机械通风冷却塔空气动力计算的数学模型，经过与试验结果对比验证，确定模型参数和网格数量。

研究了不同塔型条件下塔内气流分布及阻力特性，最终分析总结出了鼓风式机械通风冷却塔的阻力计算公式以及塔型与配风均匀性的关系。

阻力系数计算公式与试验结果相比偏差小于5%，可为设计提供参考。

1researchbackground

Thewaterquantityofimportantwatersystemofinlandnuclearpowerplantisnotbig,butitaffectsthesecurityofnuclearpowerplant.Theforceddraftmechanicalcoolingtowercansatisfytherequirementsofequipmentsecurityandearthquakeresistance,soitwillbeusedmoreandmoreininlandnuclearpowerplant.

Theforceddraftmechanicalcoolingtowerisnotonlydifferentfromtheconventionalinduceddraftmechanicalcoolingtowerinventilationway,butalsohasdistinctdifferenceintowershapeandstructurelayout.China'srelevantdesignspecificationsandinformationontheforceddraftmechanicalcoolingtowerhavenocleardesignmethod.Forunderstandingtheairflowcharacteristicsofthetowerandoptimizingthetowershape,it'snecessarytodosomerelevantresearchtorealizetheaerodynamiccharacteristics.It'saveryeffectivewaytoestablishaphysicalmodeltostudytheaerodynamiccharacteristicsofthecoolingtower,however,duetotheforceddraftmechanicalcoolingtowermodel'scomplexityandvariability,theworkloadofexperimentandinvestmentisverybig.

ThispaperusesFLUENTsoftwaretobuildamathematicalmodeloftheforceddraftmechanicalcoolingtowertostudythetoweraerodynamiccharacteristics,andaftercomparingwiththeexperimentalresultstodeterminethemodelparametersandgridnumber.Itstudiestheairflowdistributionandresistancecharacteristicsintheconditionsofdifferenttowershapes,andanalysistosummarizethecoolingtowerresistancecalculativeformulaandtherelationshipbetweentowershapeandairflowdistributionuniformity.Thedifferenceofcomputationalresistancecoefficientandtheexperimentalresultsislessthan5%,itcanprovideareferencefordesign.

2数学模型及计算方法

2.1空气流场控制方程

塔内外流场为等温、不可压流动，其控制方程包括连续方程、动量方程，并选用k-ε双方程湍流模式对方程进行封闭，各方程可写为统一形式：

∂（ρφ）⎛→⎫

（1）+∇⋅ρVφ⎪=∇⋅Γφ∇φ+Sφ∂t⎝⎭

式中：

ρ为空气密度，kg/m；为空气流速，m/s。

各控制方程的变量φ、扩散系数项Γφ与源3项Sφ如下表1。

表1控制方程中各变量代表参数

其中生成项Gk=μt（∂ui∂uj∂ui；μ为空气分子粘性系数；p为压力；μt为紊流粘性系+）∂xj∂xi∂xj

k2

，Cμ为经验常数；σk和σε分别为k和ε的紊流数，由动能k和紊动耗散率ε求出：

μt=ρCμ

普朗特数。

ε

2Mathematicalmodelsandcalculativemethods

2.1Airflowgoverningequations

Thetowerflowfieldisisothermalandincompressible.Itsgoverningequationsincludecontinuityequation,momentumequation,whichcanbeclosedwithk-εtwo-equationturbulencemodel,theseequationscanbewrittenasaunifiedform:

∂（ρφ）⎛→⎫

+∇⋅ρVφ⎪=∇⋅Γφ∇φ+Sφ

⎝⎭∂t

（1）

Where:

ρisairdensity,kg/m3;Visairvelocity,m/s.Allgoverningequations'variable

φ、diffusioncoefficienttermΓφandsourcetermSφareshownasTable1below.

Table1φ,ΓφandSφofeverygoverningequation

Generateditem

∂ui∂uj∂ui

Gk=μt（+）

∂xj∂xi∂xj

μisviscositycoefficientoftheair

molecules;pispressure,Pa;μtistheturbulentviscositycoefficient,whichiscanbe

calculatedbytheturbulentkineticenergykanddissipationrateε:

anempiricalconstant;

2.2边界条件

μt=ρCμ

k2

ε,Cμis

σkandσεareturbulentPrandtlnumberofkandε

.

底部为固壁无滑移边界条件，四周及顶部采用压力出口边界条件，塔壳采用固壁边界条件。

进风口及塔的出口都设置成内部边界；填料区域设置成多孔介质边界条件，并根据实测填料阻力系数设置各方向阻力系数；风机采用Fluent风扇边界条件，也可采用第一类边界条件。

2.2Boundaryconditions

Thebottomofthecomputationaldomainissolidwallboundaryconditionwithno-slip,allaroundandtopispressureoutletboundaryconditions,thetowershellissolidwall

boundarycondition.Theboundariesoftheairinletandoutletaredefinedasinterior;theporousmodelisusedtosimulatethefillandaccordingtothemeasuredresistancecoefficienttosetthefillresistancecoefficientineachdirection;theFLUENTfanmodelisusedtosimulatethefanofthetower,firstboundaryconditioncanalsobeused.

2.3冷却塔阻力系数及风速分布均匀性计算

鼓风式机械通风冷却塔，气流经由风机鼓入塔内，依次经过塔进风口，雨区、填料等，并经由出口排入到大气中，气流经过各部分的阻力为该区域前后断面的全压差，一般表示为阻力系数与填料断面平均气流速度头之积：

∆P=ξρV

（2）2

32f式中∆P为气流经过某区域前后断面的全压差（Pa）；ρ为空气密度（kg/m）；Vf为填料断面

平均风速（m/s）。

填料断面处风速分布状况影响冷却塔的热力特性，一般将填料断面风速分布均匀性作为一个设计指标，用风速分布均布系数表示:

α=∑（Vi/Vf-1）2

n（3）

式中α为填料断面风速分布均布系数；Vi为填料断面各点风速（m/s）；n为风速统计点的个数。

2.3Computationalmethodsofthecoolingtowerresistancecoefficientandwindvelocityuniformity

Fortheforceddraftmechanicalcoolingtower,airflowisblownintothetowerbythefan,sequentiallythroughthetowerinlet,rainzone,filletc,andisdischargedintotheatmospherethroughtheoutletfinally.Theresistanceofeachpartisthepressurelossoftheregion,whichisgenerallyexpressedastheresistancecoefficientmultiplytheaverageflowvelocityhead:

Vf∆P=ξρ

（2）2

Where∆Pisthepressurelossoftheregion（Pa）;ρisairdensity（kg/m3）;Vfistheaveragewindvelocityofthefillsection（m/s）.

Distributionofwindvelocityatthefillsectionaffectsthethermodynamiccharacteristicsofthecoolingtower,generallyputthewindvelocitydistributionuniformityofthefillsectionasadesignindex,itcanbeexpressedwithavelocitydistributionuniformitycoefficient:

2

α=∑（Vi/Vf-1）2

n（3）

Whereαisthevelocitydistributionuniformitycoefficient;Viisthevelocityatthemeasurepointinthefillsection（m/s）;nisthevelocitystatisticalpointsnumber.

2.4模型的验证

对已具有试验结果的某抽风式机械通风冷却塔的空气动力特性模型试验作对比验证计算，冷却塔如图1示，首先对冷却塔进行网格的敏感性分析，然后再将计算结果进行对比分析。

风机[6]

风机进口过

渡段收水器

配水装置

填料支撑结构

图1抽风式机械通风冷却塔模型试验布置示意图

不同填料阻力条件下模型试验实测与计算结果对比如图2所示，图中横坐标L0/L为距其中一侧塔壁的相对距离，V/V为相对风速，V为测点风速，V为测点风速的平均值。

进风口气流流态作对比如图3所示，从图中可以看出，试验结果与数值计算结果规律较为一致，吻合良好。

图2试验与计算填料断面风速分布对比

（a）模型试验结果（b）数值计算结果

图3试验与计算进风口上沿气流流态分布对比

进风口区域冷却塔阻力系数试验与计算结果对比见表2，二者相差不大于5%，吻合较好。

表2模型试验与数值计算进风口区域阻力系数对比结果

2.4Modelvalidation

Todovalidationwiththeexperimentalresultsofaerodynamiccharacteristicsofaninduceddraftmechanicalcoolingtowermodel,thelayoutdrawingofthecoolingtoweris

shownasFigure1,Firstly,analysisthegridsensitivity,thencompareandanalyzetheresults.Fan

Drifteliminator

Fig.1Layoutdrawingoftheinduceddraftmechanicalcoolingtowermodel

Intheconditionsofdifferentfillresistancecoefficients,theresultsofthecomparisonbetweenexperimentalandcomputationalareshowninFigure2,AbscissaL0/Listherelativedistancefromonesidetothewall,V/Visrelativewindvelocity,Visthevelocityatthemeasurepoint,Vistheaveragemeasurepointswindvelocity.Theresultsofthecomparisonbetweenexperimentalandnumericalinletairflowstateareshowninfigure3,ascanbeseenfromFig.3,experimentalresultsisconsistentwiththeresultsofnumericalcalculation.

Fig.2Comparisonbetweenexperimentalandcomputationalfillsectionwindvelocity

distribution

（a）Experimentalresults（b）Numericalresults

Fig.3ComparisonbetweenexperimentalandNumericalinletairflowdistribution

ComparisonbetweenexperimentalandNumericalcoolingtowerairinletarearesistancecoefficientareshownintable2，thedifferenceisnotgreaterthan5%，theresultstallywell.Table2Comparisonbetweenexperimentalandcomputationalcoolingtowerairinletarea

resistancecoefficient

3计算结果及分析

鼓风式机械通风冷却塔不同的塔型尺寸，如填料的安装高度、塔出口收缩段的高度、角度等，都会影响塔内气流阻力特性及风速分布，本文分别研究了不同塔型对冷却塔气流特性的影响。

鼓风式机械通风冷却塔立面布置如图4所示，塔的平面尺寸为9.0m×9.0m，风机直径为6.0m。

图4鼓风式机械通风冷却塔立面布置图

3Resultsandanalysis

Differenttowershapesfortheforceddraftmechanicalcoolingtower,suchasinstallationheightofthefill、theconvergentsectionheightandangle,willaffectthetowerairflowresistancecharacteristicsandwindvelocitydistribution.Thispaperstudiestheinfluenceofdifferenttowershapesontheairflowcharacteristics.TheforceddraftmechanicalcoolingtowerelevationisshownasFig.4,towerplanesizeis9.0m×9.0m,fandiameteris6.0m.Airoutlet

Waterdistributionsystem

Air