鼓风式机械通风冷却塔空气动力特性数值模拟研究

摘要

随着我国内陆核电事业的兴起和发展，鼓风式机械通风冷却塔将会越来越多的被用于核电厂重要厂用水系统以满足其设备安全性及抗震性的要求。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的差异。冷却塔的塔型结构不同，其空气动力特性也就不同，而冷却塔的空气动力特性与换热性能密切相关。国内外学者对自然通风冷却塔及抽风式冷却塔的塔内外流动特性、塔型及阻力特性等进行了大量的模拟计算和试验研究，而对于核电重要厂用水系统所配套的鼓风式机械通风冷却塔的空气动力特性的研究却很少。因此研究鼓风式机械通风冷却塔的空气动力特性，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　 本文以鼓风式机械通风冷却塔为研究对象，建立了鼓风式机械通风冷却塔塔内外的三维数值模型，并用Fluent软件对其空气动力特性进行了数值模拟计算，其中填料区采用多孔介质模型来模拟，风机采用风扇模型来模拟。通过计算，得到了不同塔型条件（冷却塔出口收缩段高度位置、出口收缩角大小、填料底高度）和不同填料阻力条件下冷却塔塔内的速度分布及压力分布等，并在此基础上研究了塔内各部件与整塔的阻力系数以及填料上、下断面风速分布的变化规律。研究表明:
　　 (1)冷却塔出口收缩段高度位置影响冷却塔的阻力，随位置增高阻力减小并逐渐趋于稳定;收缩段高度位置不影响填料下断面风速分布均匀性，但影响填料上断面风速分布的均匀性，位置越高风速分布越均匀;当出口收缩段相对高度HC/HC0在0.96～1.05之间时即能保证塔内阻力系数较小又能保证填料断面风速分布相对均匀，空气动力特性达到最优。
　　 (2)冷却塔出口收缩角越大冷却塔的阻力越小，但填料上风速分布均匀性越差，而填料下风速分布均匀性不受收缩角的影响。当相对收缩角HC0/HG在0.93～1.05之间时即能保证塔内阻力系数较小又能保证填料断面风速分布相对均匀，空气动力特性达到最优。
　　 (3)填料底高度的位置不影响冷却塔的阻力及填料上风速分布均匀性，但影响填料下风速分布均匀性，填料底位置越高离冷却塔进风口越远，风速分布均匀性越好，但水泵扬程也就越高。综合考虑，认为填料底的高度距进风口上沿约1.50m比较合适。
　　 (4)不同填料阻力系数时，冷却塔阻力和填料断面风速分布均匀性的变化规律一致，但是填料阻力系数越小，冷却塔阻力越小，风速分布均匀性也越差。
　　 进一步分析计算结果获得了鼓风式机械通风冷却塔各部件阻力系数的计算公式，采用各部件相加求和的方法求得了鼓风式机械通风冷却塔的总阻力计算公式，完成了空气动力计算的目的，从而为鼓风式机械通风冷却塔的热力计算做好了准备。
　　 综上，本文通过数值模拟计算对鼓风式机械通风冷却塔的空气动力特性进行了深入细致的研究，阐述了鼓风式机械通风冷却塔塔内阻力及填料断面风速分布随塔型条件及填料阻力系数的变化而变化的规律，对鼓风式机械通风冷却塔的塔型进行了优化研究，并给出了鼓风式机械通风冷却塔的空气动力计算公式，可为鼓风式机械通风冷却塔应用于核电厂重要厂用水系统提供有效的技术支持。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究情况

1．3 本文研究内容及方法路线

1．4 论文内容安排

第二章 鼓风式机械通风冷却塔的原理

2．1 鼓风式机械通风冷却塔简介

2．1．1 冷却塔分类及应用

2．1．2 机械通风冷却塔分类及应用

2．1．3 鼓风式机械通风冷却塔结构

2．2 鼓风式机械通风冷却塔的冷却原理

2．3 鼓风式机械通风冷却塔的计算

2．3．1 空气动力计算

2．3．2 热力计算

2．4 本章小结

第三章 数值计算方法

3．1 气流运动数学模型

3．2 多孔介质模型

3．3 风扇模型

3．4 边界条件

3．5 网格划分

3．6 控制方程的离散求解

3．6．1 控制方程的离散

3．6．2 离散方程求解方法

3．7 本章小结

第四章 敏感性分析及计算方法验证

4．1 计算域大小敏感性分析

4．2 网格大小敏感性分析

4．3 计算方法验证

4．3．1 风速分布及流态对比

4．3．2 阻力系数对比

4．4 本章小结

第五章 计算结果及分析

5．1 数值模拟计算工况及安排

5．2 冷却塔出口收缩段高度位置影响计算结果及分析

5．2．1 计算结果及流场分布

5．2．2 出口收缩段高度位置对阻力的影响分析

5．2．3 出口收缩段高度位置对风速分布的影响分析

5．3 冷却塔出口收缩角大小影响计算结果及分析

5．3．1 计算结果及流场分布

5．3．2 出口收缩角大小对阻力的影响分析

5．3．3 出口收缩角大小对风速分布的影响分析

5．4 填料底高度影响计算结果分析

5．4．1 计算结果及流场分布

5．4．2 填料底高度对阻力的影响分析

5．4．3 填料底高度对风速分布的影响分析

5．5 空气动力特性计算公式

5．5．1 鼓风式冷却塔各区域阻力系数计算公式

5．5．2 鼓风式冷却塔阻力计算公式

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究成果总结和创新点

6．1．1 研究成果总结

6．1．2 主要创新点

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢