基于三维数值模型的自然通风湿式冷却塔性能优化研究

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1、基于三维数值模型的自然通风湿式冷却塔性能优化研究----环境设计论文-->1引言要想找出火力发电行业的节能关键点，有必要首先搞明白火力发电的流程和环节。众所周知，火力发电以朗肯循环以为基础实现能量转换。燃料在锅炉燃烧室中燃烧释放热量，此时燃料中储存的化学能转换为热能；水在锅炉和过热器中定压吸热成为过热蒸汽，高温高压的热蒸汽进入汽轮机绝热膨胀做功，水蒸汽的热能又转化为汽轮机的机械能；汽轮机最终通过电磁感应定律将机械能转换为电能，完成整个能量转换。而在第二步能量转换中，高温高压蒸汽在膨胀做功后变成乏汽，需进入凝汽器放热而凝结为水，以便经历下一次加热和能量转换。乏汽释放的热量被循环冷却水吸收，循环

2、冷却水则通过冷却塔将热量转移至环境空气中，如此周而复始，完成火力发电的整个能量循环，从而源源不断地产生电能，供给人们生产和生活。该循环过程如图1-1所示。........2冷却塔热力学理论2.1基本传热传质原理在所有商用CFD软件中，FLUENT因为其丰富的物理模型、先进的数值方法、强大的前后处理功能而使用最为广泛。对于复杂流动问题的求解，该软件不仅可采用内置的不同离散方式和数值模型，而且提供了用户自定义函数（UDF）功能，允许用户根据不同需要，编写相应的Ｃ程序方程，自行设定质量、动量和能量方程的求解。UDF也可以实现边界条件、流体物性和初始条件等的自定义。鉴于FLUENT的诸多优点和不少学

3、者己经基于此软件得出的研究结果，本文也采用该软件进行冷却塔性能的仿真模拟。FLUENT包含众多模型和算法，内置模块庞大，下文只根据冷却塔三维模型建立的需要，对用到的模型与方程做简要介绍。2.2Merkel模型由以上推导过程可以看出，无论Merkel模型还是Poppe模型，在给定填料性质的情况下都能用于求解填料出日的水温，但是对于填料出口的空气状态，两个模型都只能给出空气洽值，而不能单独给出准确的空气温度和湿度。与Merkel模型相比，Poppe模型的推导过程更为严谨，因此计算所得到的出口空气状态、也更为接近真实值。］通过大量具体的实验研究，也证实了这个结果。在实验中，Poppe模型计算所得出

4、口空气状态比Merkel模型更接近实际测定值。考虑到准确计算自然通风湿式冷却塔出口空气状态是准确获得冷却塔抽力的先决条件，采用Poppe模型作为数值计算的基本理论模型就显得十分必要。Merkel模型假定出塔空气全部处于饱和状态，从而通过洽值来判断空气温度。在本研究中，采用Poppe模型，通过填料后的空气状态设置为饱和或者过饱和两种。3计算流体力学理论....193.1湍流模型......193.2标准壁面函数......213.3组分输运模型.........214冷却塔三维模型建立与验证.............234.1原型冷却塔介绍......234.2计算域和边界条件.......2

5、44.3网格划分..........255不同片距填料性能研究.....385.1热力学性质比较.....385.2三维模型验证分析.......405.3本章小结...447导风板作用验证7.1导风板对进风口空气动力场影响其次，由图7-1（ａ）式看出没有添加导风板时，在侧风的影响下流场偏转，迎风侧较高风速空气与背风侧较低空气相遇，导致雨区塔中屯、偏背风侧，形成了一处不利于空气流动的祸旋。而在加装60块导风板后，由于导风整流的作用，进风口风速从最高9ｍ／ｓ下降到7.5ｍ／ｓ，且整个迎风侧雨区内的空气速度都相对减小。减小的空气流速一方面消减了径向方向的惯性力，另一方面也为迎风侧雨区内空气与冷却

6、水间的传热传质换来了时间，这都有利于迎风侧空气的轴向流动。加装导风板后流’场偏转也得到较大的减轻，空气流场中也更接近冷却塔中也。而在未加装导风板时雨区塔中屯、形成的渦旋也在加装导风板之后获得缓解。7.2导风板对填料子区冷却性能影响布置60块导风板时，冷却塔内6个填料区风速相对均匀，此时风速最高区是填料高度最小的迎风侧L1区，而最化风速区则是迎风侧L3区，两者相差0.374ｍ／ｓ；而在无导风板时风速最局区L1区和L3区差别达0.605ｍ／ｓ。可看到由于填料中屯、区高度低而引起的L1区风速最高与第6章填料非等高布置结果相一致。也应注意到导风板布置对背风侧填料R3区的不利影响，布置导风板后填料R

7、3区的通风速度减少了0.13ｍ／ｓ，麦克尔数降低了0.166，而填料底水溫则增加了0.867K。推测该区域冷却效率的降低可能与导风板的形体阻力有关，因为背风侧无需导风板削减过大的进风速度，巧置导风板后反而使得正常的进风曰速度降低，从而减少了冷却塔的轴向通风速度和通风量。现实中风速和风向具有较大不稳定性，文献中推荐导风板均为围绕冷却塔均匀布置，能否根据冷却塔所在区域主导风向设置导风板还未得到人们的关注。....