环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法

摘要

本发明公开了环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，包括：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序；计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象程序；在计算流体力学软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。采用本发明，可以预测超大型自然通风冷却塔在环境风作用下空气动力行为以及热力性能，为改善超大型自然通风冷却塔的空气流态以及热力性能提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及冷却塔的仿真设计技术，特别是涉及环境风对超大型自然通风 冷却塔热力性能影响的计算方法。

背景技术

自然通风冷却塔是内陆电厂中最为普遍的换热装置，随着火电机组容量的 提高以及内陆核电的发展，需要采用超大型自然通风冷却塔来满足机组对换热 装置越来越高的要求。内陆核电站所用湿式冷却塔的淋水面积达到2×10⁴~3× 10⁴，其设计尺寸已发展到塔高近220m、塔底直径近185m，这远远大于常规冷 却塔的设计尺寸。对于自然通风自然通风冷却塔，在环境侧风的影响下，冷却 塔轴对称的空气动力场遭到破坏，塔内冷源空气也不再呈周向均匀分布。塔内 空气流动的三维性，必然影响到塔内传热传质区各区传热传质强度，造成塔内 传热传质强度的非线性分布，并进一步影响到冷却塔总体传热传质性能。环境 侧风虽然会强化塔内迎风区域的传热传质效果，但对其他区域的热力性能却产 生不利影响。

冷却塔在运行过程中不可避免地受到环境风的影响，环境风对冷却塔的影 响主要包括对风荷载的影响以及热力性能的影响。环境风对冷却塔风荷载的影 响由于出现了结构失事事故而受到了较多的关注。相比较而言，环境风对冷却 塔热力性能的影响研究相对较少，其主要原因在于冷却塔热力性能的计算涉及 到多相流传热传质等流体力学计算难题，构建冷却塔三维热力性能计算模型难 度较大。在现有技术当中，是通过热态模型实验分析环境风对自然通风冷却塔 热力计算性能影响，热态模型需要搭建试验台，其建设需要耗费较多的人力物 力，试验台的运行也需要较大的电力耗费，代价较大。同时，物理模型不可避 免存在比尺效应、人为测量误差和系统误差。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种环境风对超大型自然通风冷却塔 热力性能影响的计算方法，能够预测超大型自然通风冷却塔在环境风作用下空 气动力行为以及热力性能，为改善超大型自然通风冷却塔的空气流态以及热力 性能提供科学依据。

一种环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，包括：

根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型， 其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；

根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界条件主 要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；

计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象 程序；

在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述网格 模型，编译所述环境气象程序；

指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进 行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明技术提供了一种适用于的复杂大气边界层湍流脉动风影响下，超大 型自然通风冷却塔热力性能预测的数学模型方法，采用该方法比物理模型试验 能有效节省试验费用。三维数学模型能够准确描述环境风的复杂特性，如风速 梯度、风温梯度、水汽分布梯度等，而这些都是物理模型试验难以实现的。此 外采用本发明的技术，可以获得塔内外的空气流场分布，可以获得出塔水温的 分布，而物理模型试验只能获得离散点上的空气流速和水温值。

附图说明

图1为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 流程图；

图2为本发明实施例的侧风风速对出塔水温的影响示意图；

图3为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例流程图；

图4为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之一；

图5为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之二；

图6为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之三；

图7为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之四。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 作进一步地详细描述。

图1为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 流程图，包括：

S101：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格 模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、 塔高；

S102：根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界 条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；

S103：计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环 境气象程序；

S104：在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述 网格模型，编译所述环境气象程序；

S105：指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计 算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。

近地面大气边界层环境风由于受不规则地表、气温差以及扰动的影响，其 流速分布比较复杂，往往会存在梯度和切变等特点。因而若要准确给定作为超 大型自然通风冷却塔热力性能计算的边界条件，仿真模型必须考虑灵活的环境 风分布及模拟方法。大气边界层空气流动流动，其风速分布、风温分布和水汽 含量均存在较大梯度，并具有明显的湍流脉动特征。传统的物理模型试验难以 实现的上述技术仿真。本发明利用CFD软件的环境气象程序来对环境风速、风 温、水汽含量以及湍流场进行描述，能够很好地解决这一技术问题。

需要补充说明的是，本专利采用有限体积法（Finite Volume Method，FVM） 来对计算域和控制方程进行离散。在有限容积法中将所计算的区域划分成一系 列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对 控制体积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本 身及其一阶导数的构成做出假定，这种构成的方式就是有限体积法的离散格式。 用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物 理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最为广泛的一种方法。

本发明技术提供了一种适用于的复杂大气边界层湍流脉动风影响下，超大 型自然通风冷却塔热力性能预测的数学模型方法，采用该方法比物理模型试验 能有效节省试验费用。本发明的技术，可以获得塔内外的空气流场分布，可以 获得出塔水温的分布。如图2所示，通过三维数值模拟我们发现环境风对冷却 塔出塔水温的影响规律，

根据所述仿真计算结果，获取冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出 塔水温。

图2为本发明实施例的侧风风速对出塔水温的影响示意图。在环境侧风风 速较小的时候，随着风速的增加，出塔水温也随之增加；而当侧风风速超过一 定值以后，随着风速的增加，出塔水温反而下降。通过三维数值模拟，我们发 现环境侧风对超大型自然通风冷却塔的影响的两个阶段，即传热恶化阶段和传 热强化阶段，对于不同的超大型自然通风冷却塔的热力性能，存在侧风风速的 一个临界点，

图3为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例流程图。与图1相比，图3为具体实施例的流程图。

S201：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格 模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、 塔高；

S202：根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界 条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；

S203：依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超 大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入ANSYS FLUENT软件的 所述环境气象程序；

S204：在ANSYS FLUENT软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气 象程序；

S205：指定传热传质区的进塔水温、淋水密度、雨区的雨滴初始速度以及 淋水区雨滴的初始速度为计算域；

S206：设置大气压、重力加速度、布辛涅司克（Boussinesq）参数；

S207：设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数；

S208：设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热；

S209：在边界条件上给定流速、温度和组分的值；

S210：设置差分格式、松弛因子；

S211：对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算 结果。

根据所述仿真计算结果，获取冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出 塔水温。

依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超大型冷 却塔的环境空气参数和冷却水参数。所述热力学相关公式包括如下的控制方程：

1)雷诺时均Navier-Stokes方程（Reynold-averaged Navier-Stokes，RANS）：

$\frac{\partial \left(\rho {\bar{u}}_i\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho {\bar{u}}_i{\bar{u}}_j\right)}{\partial x_j}=-\frac{\partial \bar{p}}{{\partial x}_i}+\frac{\partial }{{\partial x}_j}(\eta \frac{\partial {\bar{u}}_i}{{\partial x}_j}-\rho \overline{{u^{\prime }}_i{u^{\prime }}_j})$

2)Boussinesq假设：

$-\rho \overline{{u^{\prime }}_i{u^{\prime }}_j}=-p_t{\delta }_{i,j}+{\eta }_t(\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}+\frac{{\partial u}_j}{{\partial x}_i})-\frac{2}{3}{\eta }_t{\delta }_{i,j}\mathrm{div}V$

3)k方程：

$\rho \frac{\partial k}{\partial t}+{\mathrm{\rho u}}_j\frac{\partial k}{{\partial x}_j}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\eta +\frac{{\eta }_t}{{\sigma }_k})\frac{\partial k}{{\partial x}_j}\right]+{\eta }_t\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}(\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}+\frac{{\partial u}_j}{{\partial x}_i})-\mathrm{\rho ϵ}$

4）ε方程：

$\rho \frac{\partial ϵ}{\partial t}+{\mathrm{\rho u}}_k\frac{\partial ϵ}{{\partial x}_k}=\frac{\partial }{\partial x_k}\left[(\eta +\frac{{\eta }_t}{{\sigma }_{ϵ}})\frac{\partial ϵ}{{\partial x}_k}\right]+\frac{c_1ϵ}{k}{\eta }_t\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}(\frac{{\partial u}_i}{{\partial x}_j}+\frac{{\partial u}_j}{{\partial x}_i})-c_2\rho \frac{{ϵ}^2}{k}$

5）温度输运方程：

$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho T}\right)}{\partial t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\rho UT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\lambda }{c_p}\mathrm{grad}T\right)+S_T$

6）组分输运方程：

$\frac{\partial \left(\rho {\phi }_k\right)}{\partial t}+\frac{\partial }{{\partial x}_i}(\rho \overline{u_i}{\phi }_k-{\Gamma }_k\frac{\partial {\phi }_k}{{\partial x}_i})=S_{{\phi }_k}$

其中，ρ为密度、为时均流速、u′_i为脉动流速，p为压强，T为温度，η_t为 湍流粘性系数，k为湍动能，ε为耗散率，c₁、c₂、σ_k、σ_ε和σ_T为k-ε湍流模型 系数，如表1。λ为流体的导热系数，c_p为比热容，S_T为热量的源项，Γ_k为广义 扩散系数，为组分的源项。

表1k-ε湍流模型参数取值

  c₁  c₂  σ_k  σ_ε  σ_T  1.44   1.92   1.0   1.3   0.9~1.0

在其中一个实施例中，本发明的所述计算流体力学(Computational Fluid  Dynamics,CFD)软件为ANSYS FLUENT软件。根据预设的环境风边界条件，设 定环境气象程序，所述环境风边界条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分 布以及湍流。将参数导入ANSYS FLUENT软件预设的环境气象程序；在ANSYS FLUENT软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气象程序。

本发明采用大型通用计算流体力学软件ANSYS Fluent作为计算平台，采用 其用户自定义子程序（User Defined Function，UDF）以及用户自定义标量（User  Defined Scalar，UDS）来实现大气边界层梯度风及放射性核素废气的扩散模拟。

计算域的网格生成，采用Gambit软件。

需要补充说明的是，本发明不排除采用其他商用计算流体力学软件，如 CFX、PHOENICS等，用于建立塔群效应对超大型自然通风冷却塔热力性能影 响的计算模型。

所述预设的环境气象程序包括：

冷却水运动程序、基于Merkel模型的汽水两相间传热传质程序、汽水两相 的相互作用程序。

设定控制参数的步骤，包括：

设置大气压、重力加速度、布辛涅司克（Boussinesq）参数。

设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数。

设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热。

在边界条件上给定流速、温度和组分的值。

设置差分格式、松弛因子。

需要补充说明的是，所述湍流模型还可以采用其他湍流模型，如RNG、k-w 模型。

本实施例采用三维湍流输运计算模型，采用Boussinesq假设及标准k-ε模 型封闭雷诺应力项，采用对流扩散方程描述冷却塔羽流及放射性核素废气的输 运扩散，采用有限体积法求解控制方程。环境风采用大气边界层湍流风来模拟。

图4为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之一。如图4所示，为无环境风时超大型冷却塔内外部流场。

图5为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之二。如图5所示，为有风时超大型冷却塔内外部流场。

图6为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之三。如图6所示，为无环境风时超大型冷却塔出塔水温分布。

图7为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的 实施例示意图之四。如图7所示，为有环境风时超大型冷却塔出塔水温分布。

根据所述仿真计算结果，获取各个冷却塔的空气流场、温度场、组分场以 及出塔水温。下面结合图4、图5、图6、图7，对本发明的具体应用方式做进 一步的说明。

图4中，在无环境侧风影响时，塔内外空气动力场呈轴对称分布。在冷却 塔内外湿空气密度差所形成抽力的驱动下，塔外环境空气在进风口外侧持续向 进风口加速，并在进风口内侧取得较大值。在冷却塔内，由于进塔空气转向、 雨区雨滴和填料的阻力作用，空气沿程流速不断降低，并在塔心竖井附近取得 较小值。

图5中，在环境风影响下，塔顶空气出口气流发生偏离。受迎风侧高速侧 风的挤压，塔顶出口迎风侧气流流速有所降低（A区所示）。塔顶空气出口流速 发生偏离，一定程度上对塔筒背风侧上升气流产生阻滞作用，导致B区所示区 域空气流速减小。侧风作用下，迎风侧进风口气流流速明显大于背风侧进风口 气流速。而背风侧进风口气流流速的减小，又进一步降低了塔筒背风侧上升空 气流速。所以塔筒内迎风侧上升气流流速明显大于背风侧上升气流流速。

图6中，在无环境侧风影响时，水池水面水温场呈轴对称分布，水池外缘 水温相对较低，塔心中央竖井附近水池水面水温最高。图7中，在环境侧风影 响下，水池水面水温场不再呈轴对称分布。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。