环境风速对空冷塔的影响专题报告.docx
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环境风速对空冷塔的影响专题报告
专题报告4环境风速对空冷塔的影响
1分析目标
中泰化学托克逊年产100万吨电石配套600MW动力站项目拟采用表凝式间接空冷系统。
该项目位于托克逊县，是有名的风口，常年有大风。
根据招标技术资料本工程50年一遇离地10m高10min平均设计风速采用36.9m/s，100年一遇离地10m高10min平均设计风速采用40.0m/s。
这些条件无疑增加了本项目的设计难度。
冷却塔的冷却性能受环境影响较大，尤其是环境侧风。
研究表明当有环境侧风时，自然通风干式冷却塔（间冷塔）的出力将会受到较大影响。
目前我们在风速较小时采用一维的冷却塔的设计方法可以对塔的选型、尺寸、以及换热器面积进行设计。
但当风速较高时塔内外流场分布不均，且产生纵向漩涡和横向漩涡，使空气流动性能有所减弱，沿塔一周的冷却三角的通风量和换热量与低风速时有很大的差别。
该问题是复杂边界的三维湍流传热问题。
因此首航在间冷塔的设计中充分的认识到这个影响，采用CFD（计算流体力学）方法对大风时的冷却塔出力进行校核计算，给出在不同风速下间冷塔的传热性能。
2分析过程
本次分析了在风速为6m/s,12m/s,18m/s,26m/s,30m/s,35m/s这六种风速在考核工况下（气温19℃，塔进水温度46.74℃）的空冷塔出力，基于目前阶段出力采用出塔水温这个指标来反映，即在同样进水温度和流量下出塔水温高则性能下降，反之如此。
2.1计算域选取
计算域的选区对于微气候环境下空冷设备的传热性能计算分析非常重要，尤其对于间冷塔的分析尤其如此。
由于冷却塔的外形尺寸庞大，而位于塔底部的散热器尺寸较小，为了达到较高的分析精度网格要足够小，以达到N-S方程离散求解的要求。
本次由于要得到塔底部各散热器的传热量以及冷却水出水温度等值因此计算格外关注计算精度。
外掠钝体扰流流动在钝体后方会形成不稳定的尾迹区，但是本次计算由于关心的是底部散热器的传热，而对塔体本身的风载等结构安全问题并不是本次计算的目的。
一般对于外略冷却塔这样尺寸物体的扰流流动，Re数普遍在107以上的数量级，因此沿塔周向的流场是近似对称的。
并且整个散热器在塔内是对称布置。
基于以上考虑采用了沿气流方向对塔取对称面后采用一半几何进行计算。
计算域选取的足够宽大，以防止边界条件对中心计算取的影响，如下图所示。
图1计算域尺寸
2.2建模及网格生成
本分析保留了间冷塔中大部分的几何特征。
但对于冷却三角换热器的框架的横向支撑，冷却三角支腿及其下部百叶窗电动执行机构和电缆桥架等部分，由于所占风口的拥塞面积较小，又由于其结构复杂，因此略掉，对结果影响不大。
保留了冷却三角纵向支撑，间冷塔下部密封板，上部密封板和展宽平台等部件。
这些部件对空冷塔进风起了主要作用，对流动传热对的性能分析影响较大，此处做保留，并对其进行几何外形做适当简化但不影响其流动特性。
计算中为了节省计算资源，简化了X形柱，和百叶窗结构。
这两部件几何复杂且对塔的气流阻力产生较大影响，虽然它们的几何简化为平面，但是其阻力特性在程序中成采用多孔介质膜模型（porousjumpmodel）进行模拟。
塔筒由于是板壳结构，其厚度对气流的作用很小。
因此被简化成一个没有厚度的固体壁面，其母线采用土建专业提供的内壁数据，采用二阶光滑曲线拟合而成，以反映其真实结构。
散热器由于是管翅式换热器，其翅片结构复杂，在整体计算中不可能采用其本身的结构。
否侧产生的网格数量将会是天文数字。
并且我们关心的是换热器的整体出力，而不是局部的传热。
因此在这里将采用heatexchangermodel。
Fluent里面提供了macro的概念，他把大散热器分成几块，每个小块当做一个小换热器来处理。
在程序中分别计算每个MACRO面上的风量，进水流量被分到每个macro的管内。
基于以上信息就通过ε-NTU法进行计算，得到离开该MACRO时水的温度。
计算出的换热量值以源项的方式写入相应网格区的能量方程。
通过程序的反复迭代求解得到空气侧收敛解。
换热器周围的流动对于求解它的换热量至关重要，为此在冷却三角周围，以及塔外10m至整个展宽平台下方的区域采用了六面体网格。
周围采用了四面体网格，网格的变化率控制在1.1以下。
由于塔内形成的压力场求解也很关键。
因此在塔内，最大网格尺寸控制在2m。
网格生成后总数量达到7751446个，其中六面体有3568468.个。
全体面网格skew值小于0.7，体网格skew值控制在0.8以下。
全场网格长宽比控制在3以下。
2.3边界条件
计算域入口采用速度入口（velocityinlet）边界，但是入口速度在高度方向的修正采用壁面粗糙度为0.4m的风廓线。
此风廓线十米高处的速度在以下几个工况分别设定为6m/s、12m/s,18m/s,26m/s,30m/s,35m/s，温度均为19℃；
计算域出口采用压力出口（pressureout）边界，表压为0Pa，温度为19℃；
顶部采用specified-shear的滑移壁面（wall）边界，且剪切力设置满足此风廓线在此计算域从入口到达塔前方不改变的条件；
地面、塔体以及所有固体壁面采用壁面（wall）边界，无滑移且壁面粗糙度分别设定，传热学边界做绝热处理；
计算区域侧面采用对称边界（symmetry）；
换热器如前所述采用heatexchangermodel，阻力采用多孔介质模型（porousmediamodel），其换热和阻力数据均来自于首航自己的传热风洞试验。
百叶窗阻力和X形柱阻力特性也均也来自于该风洞，设其为porousjumpmodel。
图首航传热风洞试验台
2.4物理模型
该流动为旺盛湍流流动，湍流模型采用realizable
模型，壁面采用非均衡壁面模型。
该模型对模拟涡的脱落和与壁面的重接触具有较好的特性。
由于间冷塔是靠塔内外空气的密度差所产生的压力差推动空气流动的，因此自然对流在本计算中必须考虑。
其空气密度模型采用不可压缩理想气体模型（incompressibleidealgasmodel）。
空气的其他热物定压比热容Cp，导热系数λ，动力粘度均采用以温度t为自变量的5阶多项式修正，其修正区间取为0~100℃。
2.5求解与收敛过程
动量方程与质量守恒方程采用SIMPLE算法，动量方程其对流项采用一阶迎风格式离散，压力项采用标准格式。
所有方程的松弛因子须妥善设定。
尤其是本计算N-S方程与能量方程将耦合求解，如若设置不当将无法得到收敛解。
以所有方程的残差不再缩小，收敛曲线平坦或作小幅振荡作为收敛第一判据，观测点的速度值不随迭代次数改变作为第二判据。
所有方程的残差小于10-3为第三判据。
3结果分析
为了清楚的统计每个冷却柱的散热量以及出水温度等信息，对散热器进行编号。
图冷却柱的编号原则
3.16m/s风速
此工况下各冷却柱的出水温度如下
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
1
32.1
37
35.6
73
39.1
109
36.9
2
31.9
38
32.6
74
35.2
110
33.8
3
32.1
39
35.9
75
39.2
111
36.8
4
32.0
40
32.7
76
35.2
112
33.7
5
32.2
41
36.0
77
39.2
113
36.7
6
31.9
42
32.8
78
35.3
114
33.6
7
32.2
43
36.1
79
39.2
115
36.3
8
31.9
44
32.9
80
35.3
116
33.4
9
32.3
45
36.3
81
39.2
117
36.3
10
31.9
46
33.1
82
35.3
118
33.7
11
32.4
47
36.4
83
39.2
119
36.2
12
31.9
48
33.2
84
35.3
120
34.0
13
32.5
49
36.5
85
39.2
121
35.8
14
31.9
50
33.3
86
35.3
122
34.1
15
32.6
51
36.6
87
39.1
123
35.4
16
31.9
52
33.4
88
35.2
124
34.1
17
32.7
53
36.8
89
39.0
125
35.3
18
31.9
54
33.6
90
35.1
126
34.1
19
32.8
55
37.2
91
38.8
127
35.1
20
31.9
56
33.8
92
35.0
128
34.1
21
33.0
57
37.6
93
38.7
129
34.7
22
32.0
58
34.1
94
34.9
130
33.9
23
33.1
59
37.9
95
38.5
131
34.1
24
32.0
60
34.3
96
34.8
132
33.5
25
33.4
61
38.1
97
38.3
133
33.8
26
32.0
62
34.4
98
34.7
134
33.5
27
33.9
63
38.3
99
38.1
135
34.9
28
32.1
64
34.6
100
34.5
136
34.7
29
34.2
65
38.5
101
37.8
137
35.0
30
32.2
66
34.7
102
34.4
138
34.8
31
34.6
67
38.7
103
37.5
139
34.5
32
32.3
68
34.9
104
34.2
140
34.2
33
34.7
69
38.9
105
37.2
141
33.9
34
32.3
70
35.0
106
34.1
142
33.7
35
34.9
71
39.0
107
37.0
143
34.8
36
32.4
72
35.1
108
33.9
144
34.9
表16m/s风速下出水温度
其平均出水温度为34.9℃，小于一维设计计算出水温度35.3℃。
满足考核要求。
图6m/s风速冷却柱出水温度图
编号
流量（kg/s）
编号
流量（kg/s）
编号
流量（kg/s）
编号
流量（kg/s）
1
117.47
37
84.75
73
48.99
109
67.52
2
115.22
38
109.96
74
48.99
110
94.90
3
114.46
39
82.40
75
48.54
111
70.35
4
116.95
40
108.65
76
48.54
112
96.50
5
113.64
41
80.00
77
48.04
113
73.66
6
117.50
42
107.18
78
48.04
114
98.19
7
112.45
43
77.43
79
47.91
115
77.84
8
117.83
44
105.48
80
47.91
116
100.02
9
111.32
45
74.77
81
47.87
117
80.95
10
118.17
46
103.74
82
47.87
118
100.10
11
109.97
47
72.27
83
48.12
119
83.60
12
118.36
48
102.05
84
48.12
120
100.22
13
108.41
49
69.62
85
48.67
121
86.06
14
118.25
50
100.22
86
48.67
122
100.82
15
106.70
51
67.09
87
49.30
123
88.65
16
118.26
52
98.41
88
49.30
124
102.00
17
105.04
53
64.72
89
50.12
125
89.94
18
118.10
54
96.48
90
50.12
126
102.16
19
103.40
55
62.70
91
51.16
127
91.29
20
117.93
56
94.83
92
51.16
128
102.48
21
101.62
57
59.67
93
52.50
129
92.75
22
117.45
58
92.33
94
52.50
130
102.89
23
99.77
59
58.43
95
53.85
131
94.95
24
116.91
60
91.25
96
53.85
132
103.02
25
97.92
61
56.40
97
55.45
133
96.33
26
116.34
62
89.51
98
55.45
134
101.80
27
95.88
63
54.80
99
57.05
135
94.62
28
115.57
64
88.03
100
57.05
136
98.08
29
93.80
65
53.23
101
58.83
137
95.72
30
114.74
66
86.58
102
58.83
138
98.59
31
91.27
67
51.82
103
60.73
139
99.56
32
113.53
68
85.19
104
90.62
140
102.57
33
89.30
69
50.72
105
62.87
141
103.69
34
112.59
70
84.04
106
92.07
142
103.69
35
87.01
71
49.80
107
65.03
143
103.66
36
111.22
72
49.80
108
93.45
144
104.48
表通过各散热器的空气流量
图塔内温度场云图
图压力云图
图塔体不同截面的速度云图
图出塔羽流
图6m/s风速距离地面10米截面的速度矢量图
图6m/s风速距离地面10米截面的温度云图
由压力云图可见，塔底部压力最低，达到-100pa以下。
间冷塔就是靠此负压力把外界的空气抽吸进塔内从而使换热器换热。
从速度矢量图可见，大风沿塔底外缘扰流，每个冷却三角都有较多的空气被抽吸进塔内与散热器换热。
温度云图也说明了这种情况：
塔内外的温度场分界非常鲜明，都以散热器为界。
但是气流遇到塔后形成扰流，塔侧面压力就形成低压区。
低压区的形成使当地的冷却三角风量减少，这一点可从冷却柱流量柱状图上可见。
在冷却柱流量图上会发现在编号为70到103的冷却柱之间的冷却三角，左右两个冷却柱的流量差别不大，而在此区域之外的则差别较大，这种现象的形成主要是因为气流的方向性所引起的。
百叶窗面法线与气流方向夹角越小的冷却三角流量越大而且左右两个冷却柱流量较一致，反之交角变大时左右两个冷却柱流量分配变得不均而且差别较大，当交角接近90°时，两个冷却柱的流量都变得非常小，而且较为一致。
在70与105之间的冷却三角百叶窗面对气流的夹角接近90°就属于后一种情况。
3.212m/s风速
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
1
30.3
37
37.0
73
46.2
109
39.0
2
30.2
38
33.0
74
46.1
110
39.8
3
30.4
39
37.8
75
46.2
111
38.9
4
30.2
40
33.6
76
46.2
112
39.7
5
30.4
41
38.6
77
46.2
113
38.9
6
30.2
42
34.3
78
46.1
114
40.0
7
30.5
43
39.5
79
46.2
115
38.1
8
30.2
44
35.1
80
46.1
116
39.5
9
30.6
45
40.4
81
46.3
117
37.0
10
30.2
46
35.9
82
46.2
118
38.5
11
30.8
47
41.4
83
46.3
119
36.6
12
30.2
48
36.9
84
46.3
120
38.2
13
31.0
49
42.1
85
46.5
121
36.6
14
30.2
50
37.9
86
46.4
122
37.9
15
31.3
51
43.0
87
46.5
123
36.6
16
30.2
52
39.2
88
46.5
124
37.7
17
31.7
53
43.7
89
45.8
125
36.7
18
30.3
54
40.6
90
46.4
126
37.7
19
32.4
55
44.3
91
44.9
127
36.9
20
30.4
56
41.9
92
45.7
128
37.9
21
33.1
57
45.0
93
43.7
129
37.0
22
30.5
58
43.5
94
44.9
130
37.8
23
33.5
59
45.7
95
43.3
131
37.3
24
30.6
60
44.8
96
44.5
132
38.1
25
35.0
61
46.2
97
42.7
133
37.5
26
31.0
62
45.8
98
43.9
134
38.0
27
35.2
63
46.2
99
42.1
135
38.0
28
31.1
64
46.2
100
43.2
136
38.3
29
35.1
65
46.2
101
41.3
137
38.7
30
31.3
66
46.3
102
42.5
138
38.6
31
35.1
67
46.2
103
40.2
139
39.3
32
31.7
68
46.3
104
41.4
140
38.9
33
35.6
69
46.2
105
39.5
141
39.9
34
32.1
70
46.2
106
40.6
142
39.4
35
36.3
71
46.2
107
39.1
143
39.5
36
32.5
72
46.2
108
40.1
144
39.1
表212m/s风速下出水温度
塔出水温度为39.1℃
相对于6m/s的风速，此工况风速提高了一倍。
导致塔底部侧面的压力急剧降低。
甚至出现局部塔外压力比塔内还要低，在这些位置上风从塔内抽向塔外。
导致散热器的冷却能力下降，出水水温远达不到设计温度。
从温度云图上可见：
冷却柱60~90号发生气流倒抽，此时塔外也有高温气体通过。
但经过90号冷却柱后，塔外侧底部压力有所恢复，塔外低温空气又被抽入塔内。
这是由于涡脱落导致压力得到恢复。
在90~144号冷却柱的位置气流与塔又发生重接触压力又下降，因此空气流量又下降，出水温度又上升。
这些现象与水洞内的圆柱绕流现象极为相似，本质上间冷塔本身就是一个底部渗流的巨大圆柱。
图12m/s风速冷却柱出水温度图
图12m/s风速距离地面10米截面的速度矢量图
图12m/s风速距离地面10米截面的温度云图
3.318m/s风速
图18m/s风速冷却柱出水温度图
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
编号
出水温度（℃）
1
28.6
37
36.4
73
46.5
109
44.0
2
28.5
38
31.8
74
46.3
110
45.0
3
28.7
39
37.3
75
45.8
111
44.0
4
28.5
40
32.8
76
46.4
112
45.0
5
28.8
41
38.3
77
44.8
113
43.9
6
28.4
42
33.8
78
45.8
114
45.0
7
28.9
43
39.5
79
43.8
115
43.8
8
28.4
44
34.9
80
45.2
116
45.0
9
29.0
45
40.7
81
42.9
117
43.8
10
28.4
46
36.1
82
44.7
118
45.0
11
29.2
47
42.0
83
41.8
119
44.0
12
28.4
48
37.7
84
44.0
120
45.2
13
29.4
49
43.0
85
40.7
121
44.1
14
28.4
50
39.3
86
43.4
122
45.4
15
29.6
51
44.1
87
39.7
123
44.3
16
28.5
52
41.6
88
42.9
124
45.6
17
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