孔慶杰，高陽，姚加文，李慧珍

(1. 江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇常州 213001；2. 中航鋰電技術(shù)研究院有限公司，江蘇常州 213200)

冷卻塔是一種普遍用于工業(yè)熱力循環(huán)的冷卻設(shè)備，填料是冷卻塔循環(huán)冷卻的核心部件[1]，其產(chǎn)生的冷卻效果占整個冷卻塔的60%~70%[2]，因此，研究冷卻塔填料的熱力性能具有廣泛的工程應(yīng)用和重要的現(xiàn)實意義。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，因此通過CFD數(shù)值模擬的方式考察填料的熱力性能的研究較多。Reuter等[3]對冷卻塔內(nèi)噴濺式和點滴式填料建立了二維軸對稱模型，利用用戶自定義函數(shù)(UDF)來定義邊界條件并計算冷卻塔填料內(nèi)熱質(zhì)交換。Lu等[4]模擬了自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)風(fēng)速對流動和傳熱的影響，結(jié)果表明：當風(fēng)速大于15 m/s時，冷卻塔內(nèi)幾乎不再發(fā)生流動和傳熱。韓富強[5]基于液膜理論，對自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔中不同溝槽填料上的冷卻液膜進行數(shù)值模擬和熱力計算，得出填料的波長、振幅以及傾斜角度對冷卻塔出口水溫均有一定影響。魏明陽[6]對自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔建立三維計算平臺，分析了淋水密度、冷卻水進口溫度、環(huán)境空氣溫度和濕度、環(huán)境風(fēng)速及塔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能的影響。劉珊[7]在逆流濕式冷卻塔填料通道內(nèi)的氣液兩相流動研究中，對單通道進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：隨著氣水比減小，冷卻塔出口水溫升高，阻力系數(shù)增大。由于對整個填料區(qū)建模較困難，大部分是針對整個冷卻塔的傳熱傳質(zhì)進行研究，對填料單通道內(nèi)熱質(zhì)傳遞的數(shù)值模擬研究更少[8-9]。筆者針對斜波型薄膜填料單通道內(nèi)的傳熱傳質(zhì)進行數(shù)值模擬，并通過試驗驗證模擬的可靠性，對逆流濕式冷卻塔熱力性能的研究及優(yōu)化具有重要意義。

1 物理模型

1.1 幾何建模

該研究重點分析隨時間的變化，液相在填料表面的流動形態(tài)對氣液熱質(zhì)傳遞的影響，因此忽略兩片交錯填料之間的通道影響，將模型簡化為單一的正弦波基底的斜波型通道。通過壁面等效法將薄膜填料通道內(nèi)的氣液兩相流動過程簡化成液體沿著正弦波基底的斜波型彎曲通道流動，空氣逆向外略液膜表面的過程。建立二維正弦波基底的斜波型薄膜填料的單通道模型，見圖1。

圖1 薄膜填料單通道幾何模型

圖1中單通道寬度為35 mm，為了確保冷卻水的進水量，液相進口寬度設(shè)置為2 mm，氣相進口寬度設(shè)置為31 mm，填料高度設(shè)置為300 mm。為了更好地模擬填料單通道內(nèi)氣液兩相的傳熱傳質(zhì)，降低氣液進出口位置對通道內(nèi)流場的影響，在通道頂部和底部各設(shè)置20 mm的豎直高度，為了避免氣-液的進出口速率對流動過程造成擾動，將氣相與液相的出口均延長30 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件進行幾何建模后，利用ICEM對其網(wǎng)格劃分，對二維模型采用了四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于液相在流動過程中厚度較薄，為了更好地研究其沿壁面處和在壁面拐角處的流動狀況，在近壁面處對網(wǎng)格進行加密，見圖2。

圖2 薄膜填料單通道網(wǎng)格劃分

圖2中空氣通道較寬，其網(wǎng)格采用一般設(shè)置，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，F(xiàn)luent中網(wǎng)格檢查無負體積，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

1.3 數(shù)值計算方法

采用Fluent 15.0流體力學(xué)計算軟件對薄膜填料通道內(nèi)的氣液兩相流動進行模擬。多相流模型選用VOF模型，VOF參數(shù)選用隱式格式。壓力速率耦合項采用SIMPLEC算法。動量方程選用二階迎風(fēng)離散格式。其余方程均選用一階迎風(fēng)離散格式。計算過程中，壓力項的松弛因子為0.3，動量為0.7，湍動能和耗散率為0.8，其他項均取為1。在液相流動過程中，要考慮重力的影響，設(shè)定重力方向為y軸方向，大小為9.8 m/s2。湍流模型采用RNGk-ε湍流模型。

1.4 邊界條件設(shè)置

1)進口邊界條件。當研究斜波型薄膜填料內(nèi)氣液兩相逆向流動特性時，為了更接近液膜真實的流動狀態(tài)，建模時采用多個出入口，其中冷卻水入口在貼近壁面的通道上部的兩端，空氣入口在通道下部的中央位置。

2)出口邊界條件。位于通道上部中央的區(qū)域為空氣出口，通道下部的壁面兩側(cè)附近為冷卻水出口，均設(shè)置為outflow條件。

3)壁面邊界條件。主要研究的是薄膜填料通道內(nèi)氣液之間的換熱與流動特性，此處不考慮壁面條件對氣液傳熱和溫度分布的影響，因此將壁面簡化成絕熱壁面。

4)初始條件。假設(shè)在初始時刻，計算區(qū)域內(nèi)充滿了靜止的空氣，無冷卻水。

2 模擬計算結(jié)果

2.1 冷卻水進口流量的影響

在空氣進口溫度為293 K，冷卻水進口溫度為313 K，空氣進口速率為1.6 m/s的條件下，冷卻水進口流量選擇0.57，0.66，0.75，0.85，1.0 kg/s，考察冷卻水進口流量對液膜流動狀態(tài)和換熱情況的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 冷卻水進口流量對液膜流動狀態(tài)和換熱情況的影響

由圖3可見：薄膜填料冷卻水進口流量的變化會影響通道流域內(nèi)的液膜流動狀態(tài)，冷卻水進口流量增大時，液膜的厚度增大，流域內(nèi)空氣阻力也增大。當冷卻水流量為0.85 kg/s時，部分空氣在流道拐角處受到液膜作用力與結(jié)構(gòu)的影響，流動方向發(fā)生改變而產(chǎn)生漩渦。在漩渦處，氣液的相互作用加劇，阻力損失加大，應(yīng)盡量降低流量避免產(chǎn)生漩渦。同時，當薄膜填料冷卻水進口流量發(fā)生變化時，通道流域內(nèi)空氣與冷卻水的熱交換也發(fā)生了變化。當冷卻水進口流量較小時，液膜的厚度較薄，與空氣換熱的熱阻較小，冷卻水出口溫度較低，換熱效果好；當冷卻水進口流量增大時，液膜的厚度逐漸增大，單通道流域內(nèi)的液膜擾動較大，使得空氣阻力增大，不利于空氣與冷卻水之間的換熱，冷卻水的出口溫度較高。

2.2 冷卻水進口溫度的影響

在空氣進口溫度為20 ℃，空氣進口速率為1.6 m/s，冷卻水進口速率為0.2 m/s的條件下，冷卻水進口溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察冷卻水進口溫度對液膜流動狀態(tài)以及氣液換熱情況的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見：當冷卻水進口溫度為34~42 ℃時，空氣進口速率和冷卻水進口速率均不發(fā)生變化，流域內(nèi)液膜的流動狀態(tài)也不發(fā)生變化，而冷卻水進口溫度的升高會影響單通道流域內(nèi)的換熱。在其他參數(shù)不變的情況下，僅升高冷卻水的進口溫度，進入薄膜填料的總熱量增大，因此薄膜填料出口冷卻水溫度升高。填料進口冷卻水溫度的升高不僅增強了冷卻水與空氣之間的顯熱交換，同時飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發(fā)率，增強了空氣與冷卻水之間的潛熱交換，所以冷卻水進出口溫差增大，且增大幅度遠大于薄膜填料進口冷卻水溫度的升高幅度。綜上分析，在一定范圍內(nèi)升高冷卻水進口溫度對氣液間的換熱有利，但由于模擬的冷卻水進口溫度的變化范圍較窄，因此單通道流域內(nèi)溫度場的變化較小。

圖4 冷卻水進口溫度對液膜流動狀態(tài)以及氣液換熱情況的影響

3 驗證試驗

通過逆流濕式冷卻塔實驗臺(CWCT)對數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。逆流濕式冷卻塔實驗臺中采用的是波高為7 mm，波長為40 mm正弦波基底的PVC斜波型薄膜填料，填料組裝高度為300 mm，該類型填料波紋板由梯形波組成，均為直波，與豎直方向呈30°傾斜角[14]。

在空氣進口溫度為293 K，空氣進口速率為1.6 m/s，冷卻水進口速率為0.2 m/s的條件下，冷卻水進口溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察冷卻水進口溫度改變時，冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值和實測數(shù)值的誤差，結(jié)果見圖5。

圖5 冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值和實測數(shù)值的誤差

由圖5可見：冷卻水出口溫度的模擬數(shù)值均低于實測數(shù)值，且所有的誤差值均小于0.38%，表明采用該數(shù)值模擬方法較可靠。

3.1 冷卻水進口溫度對冷卻效率的影響

在空氣進口溫度20 ℃，空氣進口速率1.6 m/s，薄膜填料進口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42℃，考察填料進口冷卻水溫度對填料冷卻效率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 冷卻水進口溫度對填料冷卻效率的影響

由圖6可見：數(shù)值模擬和試驗測量的結(jié)果均表明，濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的冷卻效率隨冷卻水進口溫度的升高而增大，且當冷卻水進口溫度為36~40 ℃時，冷卻效率隨冷卻水進口溫度升高而增大的趨勢明顯。僅當增加進口冷卻水溫度時，填料出口冷卻水溫度也隨之升高，且填料進出口冷卻水溫差增大，增大幅度遠大于填料進口冷卻水溫度與空氣進口濕球溫度的差值，因此，冷卻效率隨之大幅增加。而當填料進口冷卻水溫度較低時，冷卻效率隨冷卻水進口溫度升高而增大的趨勢放緩，其主要原因是填料進出口冷卻水溫差增幅較小。

3.2 冷卻水進口溫度對填料冷卻特性數(shù)的影響

在空氣進口溫度20 ℃，空氣進口速率1.6 m/s，薄膜填料進口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42℃，考察填料進口冷卻水溫度對填料冷卻特性數(shù)的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 冷卻水進口溫度對填料冷卻特性數(shù)的影響

由圖7可見：數(shù)值模擬和試驗測量的結(jié)果均表明，濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的冷卻特性數(shù)隨冷卻水進口溫度的增大而增大，且冷卻水進口溫度在38~40 ℃時，冷卻特性數(shù)隨冷卻水進口溫度升高而增大的趨勢明顯。僅當增加薄膜填料進口冷卻水溫度時，不僅增強了冷卻水與空氣之間的顯熱交換，同時飽和蒸氣壓值也隨之升高，提高了水的蒸發(fā)率，增強了空氣與冷卻水之間的潛熱交換，因此冷卻特性數(shù)增大。

3.3 冷卻水進口溫度對填料散熱量的影響

在空氣進口溫度20 ℃，空氣進口速率1.6 m/s，薄膜填料進口冷卻水速率為0.2 m/s條件下，填料進口冷卻水溫度選擇34，36，38，40，42 ℃，考察填料進口冷卻水溫度對填料散熱量的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 冷卻水進口溫度對填料散熱量的影響

由圖8可見：數(shù)值模擬和試驗測量的結(jié)果表明，模擬和試驗數(shù)值的最大誤差為2.86%，誤差在可接受的范圍內(nèi)。濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料的散熱量隨冷卻水進口溫度的升高而增大，且冷卻水進口溫度在36~40 ℃時，散熱量隨冷卻水進口溫度的升高而明顯增大。影響填料散熱量的主要因素是冷卻水進出口溫差和氣水比，在氣水比不變的情況下，濕式冷卻塔薄膜填料散熱量則隨冷卻水進出口水溫差的增大而增加。

4 結(jié)論

以逆流濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料單通道為研究對象，采用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的技術(shù)路線，分析了冷卻水的進口流量和進口溫度對冷卻塔薄膜填料熱力性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1)冷卻水進口流量為0.57~1 kg/s時，冷卻水進口流量越大，越不利于冷卻水與空氣的熱交換，冷卻水出口溫度越高，當冷卻水流量為0.85 kg/s時，部分空氣在流道拐角處產(chǎn)生漩渦。

2)冷卻水進口溫度為34~42 ℃時，冷卻水進口溫度越高，空氣與冷卻水之間的潛熱交換增強，冷卻水進出口溫差增大，因此在一定范圍內(nèi)升高冷卻水進口溫度有利于氣液之間換熱。

3)冷卻水進口溫度為36~40 ℃時，逆流濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料冷卻效率、冷卻特性數(shù)以及散熱量隨冷卻水進口溫度升高而增大的趨勢明顯，而冷卻水進口溫度為40~42 ℃時，增大速率減小。

4)冷卻水進口流量和進口溫度均會影響濕式冷卻塔內(nèi)薄膜填料單通道熱力性能，模擬數(shù)值與實測數(shù)據(jù)的最大誤差為0.38%，該數(shù)值模擬方法較為可靠。