董國朝等

摘要：對運行狀態(tài)下的某超大型雙曲冷卻塔的內(nèi)表面平均風壓進行了CFD數(shù)值模擬.在計算流體動力學(xué)軟件基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，采用DPM模型結(jié)合UDF函數(shù)方法加入源項來研究某超大型冷卻塔內(nèi)表面平均風壓分布；塔中水相采用了拉格朗日方法模擬，而空氣相采用歐拉方法模擬，較好地實現(xiàn)了冷卻塔運行狀態(tài)下的內(nèi)外流場計算及其與傳熱傳質(zhì)的耦合計算，分析了運行狀態(tài)下冷卻塔橫風向來流時的內(nèi)壓分布規(guī)律.無側(cè)風工況下計算結(jié)果顯示，塔運行過程中的內(nèi)表面壓力對稱性良好，出水溫度與實測結(jié)果相符，驗證了本文提出的塔運行過程中的傳熱傳質(zhì)計算方法的正確性.側(cè)風工況下得到塔內(nèi)壓力系數(shù)沿高度方向相應(yīng)變大，而沿緯向變化不明顯.同時討論了中國規(guī)范對內(nèi)表面壓力系數(shù)的取值不完善之處，給出了建議取值，為超大型冷卻塔設(shè)計過程中的內(nèi)壓計算提供方法和依據(jù).

關(guān)鍵詞：冷卻塔；平均風荷載；數(shù)值模擬；傳熱傳質(zhì)；離散相模型（DPM）

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A

超大型雙曲自然通風冷卻塔是一種大型空間薄壁開口結(jié)構(gòu)，普遍用于發(fā)電廠中循環(huán)水冷卻，風荷載對其安全性的影響起決定性作用.隨著電站裝機容量的增加，冷卻塔也向高大化發(fā)展.如湖南、湖北擬建和在建的塔高分別達到200 m和220 m.

隨著英國渡橋電廠冷卻塔的倒塌，工程界對于冷卻塔的風荷載給予了極大關(guān)注[1-5] ，并制定了相關(guān)設(shè)計規(guī)范.而英國規(guī)范和德國規(guī)范則相對完善，并被他國參考.由于塔體包括內(nèi)、外兩個表面，因此涉及到外風壓載荷以及內(nèi)風壓載荷，以往的許多研究主要是針對塔的外表面風壓，而對于內(nèi)表面的風壓研究較少.孫天風等[2]對中國的茂名塔進行了內(nèi)壓實測，結(jié)果顯示，迎風面受到的內(nèi)外壓的作用力方向一致，兩者的疊加作用將導(dǎo)致子午向的應(yīng)力顯著增大.且有資料[3]表明，英國渡橋電廠冷卻塔倒塌，主要是由于迎風面子午向鋼筋受拉屈服斷裂造成的.因此，在冷卻塔風荷載設(shè)計過程中必須充分考慮內(nèi)壓的影響.

李鵬飛等[1]認為塔內(nèi)表面壓力系數(shù)沿環(huán)向、高度均勻分布，假定其為某個數(shù)值.Kawarabata等[6]認為內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.4～-0.50，實際設(shè)計中采用內(nèi)壓壓力系數(shù)為-0.45.德國規(guī)范[7]將內(nèi)表面的風壓系數(shù)取定值為-0.50.中國規(guī)范只對165 m高度以下的雙曲型冷卻塔外表面的風壓進行了規(guī)定[8-9]，而對于內(nèi)壓，規(guī)范中并未提及其具體設(shè)計標準.內(nèi)壓研究正被越來越多的學(xué)者所重視，但是冷卻塔在運行狀態(tài)下的內(nèi)壓系數(shù)研究尚少見文獻涉及.不同的學(xué)者和文獻的各種取值差異較大，而如何借鑒各國的規(guī)范來指導(dǎo)中國的設(shè)計，有必要做充分的研究.然而，內(nèi)壓研究存在其固有困難：現(xiàn)場實測由于受到外部天氣因素及塔內(nèi)運行的影響，難于得到最不利工況結(jié)果；實驗室測試卻無法重現(xiàn)其真實運行過程中的填料壓降以及上升抽力等條件.因此，數(shù)值模擬由于其條件易于實現(xiàn)的優(yōu)越性成為其中重要的研究手段.

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，對商業(yè)軟件FLUENT進行二次開發(fā)，采用其中的離散相（Discrete Phase Model，DPM）模型，結(jié)合用戶自定義函數(shù)（User Defined Functions，UDF），在冷卻塔填料區(qū)域中加入熱水程序，采用歐拉方法對空氣相進行模擬，采用拉格朗日方法對水相進行模擬，在填料區(qū)域中水流流動的水膜性質(zhì)通過給定速度的液滴流來近似，通過熱水與空氣之間的熱交換來模擬冷卻塔在實際運行過程中塔內(nèi)發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程.得到一套反映真實運行狀態(tài)下冷卻塔的內(nèi)壓確定方法，并且研究其在50年重現(xiàn)期風速下的內(nèi)表面風壓系數(shù)分布規(guī)律及流場特性，為冷卻塔的內(nèi)壓確定提供依據(jù)和方法，并指導(dǎo)其設(shè)計.

1自然通風逆流濕式冷卻塔簡介

自然通風逆流濕式冷卻塔是一種空氣和熱循環(huán)水混合接觸式換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖1所示.從冷凝器中出來的熱水進入塔內(nèi)淋水系統(tǒng)，淋水系統(tǒng)將熱水噴灑在下面的多孔介質(zhì)填料中，熱水經(jīng)過填料的時候與空氣發(fā)生傳熱傳質(zhì)以后成雨狀落入水池中，其主要傳熱傳質(zhì)區(qū)由配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)組成.熱循環(huán)水經(jīng)配水噴嘴噴出后分別以水滴、水膜和水滴的形式依次經(jīng)配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)進行對流傳熱傳質(zhì)，然后落入底部蓄水池并由循環(huán)水泵輸送回凝汽器內(nèi)循環(huán)再用.作為冷源的環(huán)境空氣經(jīng)塔入口依次進入雨區(qū)、填料區(qū)和配水區(qū)，變?yōu)闇囟容^高、密度較小的近乎飽和的熱濕空氣而沿著塔往上運動，在塔內(nèi)形成上升的抽力，最后攜帶著熱量被排放到大氣中，整過過程中不需要任何機械通風設(shè)備，所以稱為自然通風冷卻塔.

以往文獻[10]關(guān)于冷卻塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)研究主要是針對塔內(nèi)工藝方面，而通過模擬塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)來研究塔內(nèi)壓力分布規(guī)律的相對較少.

2計算理論及方法

在FLUENT中，描述熱、質(zhì)量和動量傳輸?shù)目諝猓ㄟB續(xù)相）流動方程可以寫成以下統(tǒng)一形式：

3計算參數(shù)

幾何參數(shù)：受某電力設(shè)計院的委托進行本文的相關(guān)研究并將此研究作為技術(shù)儲備.本文所研究的冷卻塔塔高220 m，為當前第一高塔.其主要參數(shù)為：淋水面積20 000 m2，塔筒底部標高13.45 m，塔筒底部直徑169.878 m，喉部標高169.4 m，喉部直徑103.545 m，塔頂出口直徑109 m.

計算域及邊界條件：計算域及邊界條件如圖2所示.由圖2可知，滿足阻塞比小于5%的要求.入口邊界條件為速度入口；出口采用壓力出口邊界條件，相對壓力選為零；流域側(cè)壁以及頂部采用自由滑移壁面條件；地面采用無滑移壁面邊界條件；冷卻塔表面為具有粗糙度的無滑移壁面邊界條件，粗糙度的施加參考文獻[13]中的方法；塔底只考慮填料區(qū)與雨區(qū)的影響，初始階段先在填料區(qū)頂部建立一個面施加熱水水滴，熱水經(jīng)過填料區(qū)以及雨區(qū)過程中進行傳熱傳質(zhì)交換，通過UDF編寫源項以及阻力項實現(xiàn).

冷卻塔所在地為B類地貌，地面粗糙度系數(shù)α為0.16.入口處速度剖面和湍流度采用規(guī)范[8]中的指數(shù)率形式，該地區(qū)10 m高度處50年重現(xiàn)期最大平均風速為25 m/s.地面高度30 m處湍流強度為16%.

湍流模型：本計算按風剖面輸入風速計算，喉部位置的雷諾數(shù)超過107，屬于完全發(fā)展的湍流階段；本研究雖然涉及到傳熱傳質(zhì)計算，而對于風場的模擬依然是一個典型的由于逆壓梯度而引起分離的鈍體繞流問題；同時，本文討論的結(jié)果主要是內(nèi)表面的平均壓力系數(shù)，對脈動信息要求低，因而采用模擬逆壓梯度引起流體分離具有較高精度的剪切應(yīng)力輸運kω模型.

計算工況及主要參數(shù)：工況參數(shù)由設(shè)計院通過實測提供.干球溫度308.47 K，濕球溫度299.73 K，大氣壓力為98.1 kPa，進塔水溫為316.5 K，出塔水溫為303.61～305.06 K，進塔水質(zhì)量流量為70 328.6 t/h，水滴直徑為5 mm，相對濕度為80%.

網(wǎng)格劃分：由于計算既包含傳熱傳質(zhì)計算，同時也包含外流場側(cè)風計算，兩種計算的混合非常復(fù)雜，存在計算收斂較難的風險，因此全流域采用六面體網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進行嚴格的細化處理，網(wǎng)格延伸率都為1.05，Yplus控制在2以下，本計算中的Yplus值符合SST湍流模型的要求，同時網(wǎng)格延伸率也比相關(guān)文獻[14]建議值小，遵循了嚴格的網(wǎng)格劃分方法，因此計算中忽略了網(wǎng)格無關(guān)性測試.本計算中在網(wǎng)格劃分中忽略人字柱，其引起的壓力損失通過施加源項來補償.網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格單元總數(shù)為5 738 890個.

4計算結(jié)果及分析

計算包括兩個工況：工況1為無風時塔的傳熱傳質(zhì)計算，通過與實測結(jié)果比較，以驗證本文研究方法的正確性；工況2為B類側(cè)風下塔在運行過程中的內(nèi)壓計算研究.先計算純風場下的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，然后噴入熱水進行穩(wěn)態(tài)計算收斂，將前面穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初場，最后進行瞬態(tài)計算.瞬態(tài)計算時間步為0.001 s.計算在長沙理工大學(xué)的數(shù)值仿真研究中心的雙CPU、12核工作站上進行，總耗時約為18 d.

4.1方法驗證工況計算

對無側(cè)風下運行塔進行計算，通過比較運行塔的出水溫度、塔內(nèi)的流場特性以及內(nèi)壓對稱性來驗證本文方法在運行工況下內(nèi)壓計算的準確性.在該工況下計算得到的出塔平均水溫為305.8 K，相比于實測出塔水溫303.61～305.06 K吻合良好.圖4描述了靜風時刻塔內(nèi)溫度等值線圖以及水池位置的溫度等值線圖.由圖4可知，冷卻塔左右兩側(cè)環(huán)境空氣呈現(xiàn)對稱形式流入塔內(nèi).環(huán)境空氣進入塔內(nèi)后，由于塔自身形成的抽力作用和雨區(qū)水滴對空氣運動的阻力作用，沿徑向雨區(qū)空氣流速不斷減少，在塔雨區(qū)中心位置出現(xiàn)最小值.而由于雨區(qū)中心位置風速最小，塔內(nèi)的中心位置的空氣溫度最高.

塔內(nèi)溫度等值線基本呈對稱分布，在塔出口位置對稱性略差，究其主要原因是本文編寫的UDF程序并未考慮一些工藝上的細節(jié)，比如只考慮了雨區(qū)以及填料區(qū)，而在填料區(qū)中水流流動的水膜性質(zhì)通過給定速度的液滴流來近似，從而造成一定的誤差.

然而，由于本文主要研究對象是運行工況下塔內(nèi)的壓力問題，圖5（a）中塔內(nèi)壓力分布情況也顯示，塔中面壓力等值線圖對稱性良好，隨著高度越高壓力越大，而在填料區(qū)上下呈現(xiàn)出了良好的壓降情況；而圖5（b）中塔的內(nèi)壓等值線圖也表明，沿著塔的高度方向，壓力均勻分布，且對稱性良好，高度越高壓力越大.塔出水的平均溫度為305.8 K也與實測結(jié)果相符，塔內(nèi)壓問題的分析相對于塔工藝的計算分析來說對于塔內(nèi)的溫度以及速度的對稱性要求相對較小，所以，綜合各種指標表明本文計算方法滿足內(nèi)壓分析的要求.

4.2側(cè)風工況下運行塔內(nèi)壓計算結(jié)果

圖6為B類風場下塔運行時的內(nèi)壓系數(shù)特征圖，h為冷卻塔高度，z為水平截面高度.圖中顯示，各高度內(nèi)壓曲線基本上沿緯向角分布均勻，而且壓力系數(shù)隨著高度的增加而緩慢變大，表明在側(cè)風的影響下，施加在雨區(qū)和填料區(qū)阻力和壓降對內(nèi)壓起到明顯的整流作用.不同高度內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.48～-0.41，峰值為-0.51～-0.403.整塔內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.449，喉部位置內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.43.

4.3側(cè)風下塔內(nèi)流場特性分析

圖7描述了B類風場下運行時塔內(nèi)流動特性.圖7（a）表明塔內(nèi)溫度場保持相對均勻，由于側(cè)風的影響，流場的對稱性被打破，上游入口位置溫度明顯比下游入口溫度低，塔底位置背風區(qū)附近出現(xiàn)了一個高溫區(qū)，而塔外的背風區(qū)也有一個相對于外圍空氣溫度的高溫區(qū).塔底的速度（圖7（b））也由于側(cè)風的影響而不均勻，上游側(cè)風直接穿過雨區(qū)以及填料區(qū)而在塔內(nèi)迎風面形成一個漩渦，而雨區(qū)的背風位置出現(xiàn)了一個低速區(qū)，導(dǎo)致此處的溫度升高而嚴重影響塔的冷卻效果.塔內(nèi)壓力圖（圖7（c））顯示，由于塔內(nèi)抽力的原因，塔內(nèi)壓力沿著高度方向相應(yīng)變大，塔內(nèi)整體壓力分布雖然由于側(cè)風的影響而出現(xiàn)不均勻，但是經(jīng)過填料區(qū)和雨區(qū)的整流，塔內(nèi)的壓力分布從數(shù)值上沿著緯向角變化并不明顯.

4.4規(guī)范內(nèi)壓系數(shù)取值的探討

目前最高的冷卻塔在德國，高度為200 m，與文中計算塔高220 m基本上處于同一量級，德國規(guī)范規(guī)定內(nèi)壓系數(shù)取常值-0.5，本文計算結(jié)果最小峰值為-0.51，各截面高度平均值最小為-0.48，兩者取值比較接近.從壓力損失的角度分析，由于塔為開口結(jié)構(gòu)，并且塔內(nèi)為自然對流運動，內(nèi)部抽力應(yīng)該在越接近開口的地方抽力越小，越靠近底部抽力相應(yīng)變大，中間應(yīng)該是緩慢過渡，本文計算結(jié)果符合此規(guī)律，德國規(guī)范針對塔所有高度取同一值相對偏安全.文獻[4]建議內(nèi)壓系數(shù)取值為-0.4～-0.5，而且設(shè)計時采用-0.45，略大于本文結(jié)果，對于本文220 m的超高塔來說，局部內(nèi)壓取值稍微偏不安全.因此，從安全的角度考慮，建議對于220 m高度級別的冷卻塔風荷載的內(nèi)壓系數(shù)選取參考德國規(guī)范.

5結(jié)論

1）本文以CFD軟件為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)，得到了冷卻塔真實運行過程中的傳熱傳質(zhì)過程，還原了塔內(nèi)真實流動特征，提出了一種計算冷卻塔運行過程中的內(nèi)壓系數(shù)計算方法，并通過無側(cè)風時計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較，驗證了本文方法的準確性.

2）側(cè)風下，施加在雨區(qū)和填料區(qū)的阻力和壓降對內(nèi)壓起到明顯的整流作用，各截面高度內(nèi)壓系數(shù)曲線沿緯向角分布均勻，而且由于塔內(nèi)自然對流抽力的原因，壓力系數(shù)隨著高度的增加而緩慢變大.

3）在B類風場下塔運行時的整塔內(nèi)壓系數(shù)平均值計算結(jié)果為-0.449，喉部位置內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.43，不同高度內(nèi)壓系數(shù)平均值為-0.41～-0.48.因此，從安全的角度出發(fā)，建議對于220 m高度的級別的冷卻塔風荷載的內(nèi)壓系數(shù)選取參考德國規(guī)范.

4）本文結(jié)論是基于高度為220 m量級的逆流式自然對流冷卻塔計算分析得到，塔的內(nèi)壓系數(shù)取值大小與塔高度之間的關(guān)系還需要做進一步深入研究.

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