自然通风逆流式冷却塔雨区阻力特性研究

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1、自然通风逆流湿式冷却塔雨区阻力特性的试验研究赵顺安、王晓宇（中国水利水电科学研究，北京）摘要：大型立模拟试验装置，模拟真实冷却塔中的情况，测试雨区阻力性能，结合数值计算方法定量给出雨滴阻力当量直径随雨区高度的变化关系图，总结出雨区阻力系数的计算公式。通过对模拟试验与数值模拟计算结果的分析还表明：核电大型冷却塔单位长度雨区的阻力系数随雨区高度的增加而增大，随淋水密度的增加而增大，随断面风速的增加而减小。通过数值模拟的方法对自然通风冷却塔雨区阻力系数的公式进行修正后的计算公式风速适用范围可达0.8～2.0m/s。关键词：逆流式冷却塔，雨区，

2、当量直径，阻力1引言在冷却塔阻力计算中，雨区的阻力占到整塔阻力的约40%［1、2］，雨区阻力的如何确定是冷却塔设计中的一个关键参数。由于雨滴在雨区运行的复杂性，雨区阻力还无法通过理论分析或数值模拟计算直接给出准确量值，相反雨区的数值模拟计算中还需要定雨滴的当量直径。雨区的阻力一直以来都是国内外冷却塔阻力研究的难点，一般通过模拟试验方法来研究雨区的阻力特性，确定雨滴的当量直径，然后通过数值模拟计算来确定不同条件下冷却塔的雨区的阻力。文献［3］通过雨区高度不大于6m的模拟试验，给出了雨区的阻力特性，并通过数值模拟计算总结出了冷却塔雨区阻力的

3、计算公式，已经被设计采用［4］。随着冷却塔的规模的增大，雨区的高度也不断增高，与核电AP1000机组相匹配的冷却塔雨区高度已经达到14m，文献［3］的试验结果将会出现较大的偏差或不再适用。本文在建立雨区模拟试验装置基础上，通过不同淋雨高度、淋水密度断面风速的试验，给出了雨区高度最大15m的淋雨阻力的试验结果，可供大型冷却塔设计和数值模拟计算参考。2试验装置试验方法雨区阻力试验装置见图1，试验段尺寸为高度15m、宽度1m、深度8m，装置主要水循环系统和抽风系统组成，水循环系统通过水泵将水抽至配水槽中，配水槽可按深度2m、4m、6m和8m进

4、行配水形成淋雨，风机通过变频器来改变淋雨区的断面风速。淋雨高度在15m高度范围内进行调节。试验时先固定一个淋水高度，对不同淋水密度改变试验断面的风速，测量试验断的气流阻力，单位长度的淋雨的阻力系数按下式（1）计算。（1）式中为淋雨阻力、淋雨深度、淋雨断面的平均水平风速、空气密度。图1淋水雨区阻力模拟试验装置系统示意图3、试验资料整理模拟装置内空气流场可简化为二维流动，如图2所示。稳定运行状态下，模拟装置内空气流动为定常流，空气为不可压缩。塔内空气流态为湍流状态。流动符合定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍流模型进行方程封闭[1

5、]。雨滴的运动是一个十分复杂的过程，计算时将雨滴简化为相同直径的刚性球，在此基础上按牛顿第二定律即可列出雨滴的运动方程[2]。计算中忽略由于风吹所造成的淋水倾斜（试验中观察由于风速造成的淋水倾斜很小），即只考虑雨滴方向上的运动，不考虑雨滴的水平向运动。2.4边界条件边界条件如下：Ø模拟装置出口风机出口给定、、、、值；取值为0，由实测给出，、参照文献[3]给定，、；其中：――当地大气压力，Pa；D――通道宽度，m；――模拟装置口速度，m/s；Ø模拟装置进风口出口为第二类边界条件：；；；；Ø壁面在壁面用光滑管边界层公式来给定壁相邻点的边界条

6、件，参见文献[2]。3试验结果分析3.1不同雨区高度雨区阻力特性对不同雨区高度、相同淋水密度、淋水深度和气水比下的单位长度雨区阻力系数试验结果进行分析，如图3(a)所示，该图给出了淋水密度为7t/(h.m2),淋水深度为4m，不同雨区高度对应工况下的单位长度雨区阻力系数变化曲线，由图可以看出，随着雨区高度增加，单位长度雨区阻力系数也随之增加，这是因为雨区高度增大时，在同一气水比的条件下，不同淋水高度的单位长度的雨区水滴阻力虽然随淋水高度增大而减小，但是平均风速也减小，阻力系数与平均风速的平方成反比，阻力系数增大。计算结果也反映了该变化趋

7、势。图3(b)同时给出了计算结果与试验结果规律一致。图3(a)单位长度雨区阻力系数随雨区高度变化（试验结果）图3(b)单位长度雨区阻力系数随雨区高度变化（计算结果）3.2不同淋水密度雨区阻力特性对不同淋水密度，相同雨区高度、淋水深度和试验断风速下的单位长度雨区阻力系数进行分析，如图4(a)所示，该图给出了淋水高度为9.92m，淋水深度为8m，不同淋水密度对应工况下的单位长度雨区阻力系数。由图可以看出，随着淋水密度的增加，雨区阻力系数也随之增加，这是因为淋水密度增大时，单位体积内水滴的个数也增加，阻力也随之增加。计算结果也反映了该变化趋势

8、，如图4(b)所示。图4(a)单位长度雨区阻力系数随淋水密度变化（试验结果）图4(b)单位长度雨区阻力系数随淋水密度变化（计算结果）3.3不同试验断面风速雨区阻力特性对不同试验断面风速下，相同雨区高度、淋水