CN102819648A - 超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法。其中包括：建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。采用本发明，可以对不同规模、不同运行工况条件的超大型冷却塔进行模拟计算，得出了超大型雨区的热力特性。

Description

超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法

技术领域

本发明涉及冷却塔设计的仿真技术，特别是涉及超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法。

背景技术

逆流式自然通风湿式冷却塔（以下简称自然塔）广泛地应用于国民经济的诸多部门，例如有电力、石油、化工等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气直接接触进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。这种类型冷却塔通风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝土浇制，塔筒底部为进风口，空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料，再从塔筒出口流出。

目前，冷却塔热力特性计算设计方法有一维仿真方法、二维仿真方法、三维仿真方法。一维仿真方法在计算时将淋水区、填料区、雨区等三个区作为一个区处理，即将室内淋水填料实测的热力特性作为冷却塔的热力特性进行冷却塔的设计；二维仿真方法可以计算喷淋及填料区、雨区的每一点的热交换，可以对塔内的非均匀配水配风进行优化计算，但是二维仿真方法比较复杂，不适用于冷却塔的整体优化；三维仿真方法尚处在初级阶段，就是对冷却塔进行三维数值建模，生成冷却塔整体计算域的三维计算网格，仅适用于冷却塔特定工况的影响分析。

故此，国内现有逆流式自然通风湿式冷却塔设计中的热力特性设计技术一般仅适用于“塔底直径≤110m，进风口高度为≤11m”的冷却塔。经改进，修正一维热力计算公式可延用到“塔底直径为110～140m，进风口高度为11～12.5m”的中大型逆流式自然通风冷却塔，且误差相对较小。但对于“塔底直径>140m，进风口高度>12.5m”的超大型冷却塔，运用现有方式会有较大的误差。将会使冷却塔在建造设计时，选型不合理，造成工程成本的浪费，以及预期设计工况与实际运行工况存在较大偏差。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法，能准确地对超大型冷却塔的工程需要做出计算，便于选型优化。

一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，包括：

建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；

在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，包括：

应用如前所述的热力特性数学模型进行冷却塔的选型。

在其中一个实施例中，所述热力特性数学模型为：

N＝(-0.0014h²+0.061h-0.1496)λ^{0.0182h+0.0124}。

一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，包括：

模型建立模块，用于建立冷却塔的雨区模拟模型；

参数采集模块，用于在预设不同工况的条件下，采集所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

数学模型转换模块，用于根据所述雨滴当量直径进行模拟计算，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

实施本发明，具有如下有益效果：

由于超大型冷却塔的体积庞大，内部结构复杂，本发明的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，首先建立超大型冷却塔内部雨区的物理模型，再通过数据采集、模拟计算将物理模型转换成数学模型。获取符合“底部直径大于110m、进风口高度大于11m、淋水面积大于12000m2”的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔雨区热力数值计算公式。本发明的仿真应用方法，应用所述热力数值计算公式进行冷却塔的建造设计，选型优化，能够节省工程成本，使预期设计工况与实际运行工况相符，误差较小。

附图说明

图1为逆流式自然通风湿式冷却塔的结构示意图；

图2为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的雨区模拟模型示意图；

图3为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的流程图；

图4为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置示意图。

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为逆流式自然通风湿式冷却塔的结构示意图。如图1所示，自然塔淋水面积是指冷却塔内“填料区顶部”的断面面积，按淋水面积A冷却塔可初步划分为：

小型塔A<4000m2

中型塔4000m2≤A<7000m2

大型塔7000m2≤A<12000m2

超大型塔A≥12000m2（塔底部直径D>110m、进风口高度h>11m）

自然通风逆流式冷却塔的散热包含了淋水区（图中配水区与填料之间的区域）、填料区和雨区（图中填料区以下、塔底水池水面以上的部分称为雨区）三个部分。

目前，冷却塔热力设计计算方法有一维仿真方法、二维仿真方法、三维仿真方法。一维仿真方法计算时将淋水区、填料区、雨区等三个区作为一个区处理，即将室内淋水填料实测的热力特性作为冷却塔的热力特性进行冷却塔的设计；二维仿真方法可以计算喷淋及填料区、雨区的每一点的热交换，可以对塔内的非均匀配水配风进行优化计算，但是二维仿真方法比较复杂，一般适用于冷却塔的局部优化；三维仿真方法尚处在初级阶段，就是对冷却塔进行三维数值建模，生成冷却塔整体计算域的三维计算网格，一般适用于冷却塔特定工况的影响分析。

随着冷却塔的淋水面积、塔高、塔底部直径增大，塔的进风口高度也响应增高，雨区的高度也随之增高，特别是超大型冷却塔底部直径一般大于140m、进风口高度大于12.5m时，若仍沿用现有的修正一维热力计算（拟二维计算）公式进行冷却塔的设计计算，将会使冷却塔的设计工况与实际运行工况偏离增大，严重的会造成设计不合理甚至。

图2为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的雨区模拟模型示意图。由于超大型冷却塔的体积庞大，内部结构复杂，本发明的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，建立超大型冷却塔内部雨区的物理模型进行仿真研究。

图3为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的流程图。下面结合图2、图3对本发明模拟仿真方法做进一步说明。

S101：建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；

S102：在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

S103：根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

对于“底部直径一般大于110m、进风口高度大于11m”的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔，要获得冷却塔的雨区热力特性，通过原型观测的方法显然是不现实，须通过一套模拟仿真的方法来取得冷却塔的雨区热力特性。

雨区热力特性模拟模型如图2所示。该模型主要由水循环和空气循环两个模拟系统组成，各模拟系统分别介绍如下：

水循环模拟系统：水从集水池经水泵提升后进入电加热器进行加热，然后送至配水池内，配水池底部设有孔，孔下面有一层淋水填料将水散开形成淋水区，填料内不能通风没有热交换，淋水区的水滴回落在装置的下方集水池中循环利用。

空气循环模拟系统：由装置尾部的抽风机从进风口吸入外界空气，进入塔的测试段与水进行气、热交换后，再从风机出口排出。进塔风量通过变频器改变风机的电机的转速来控制。

在装置上布置进塔空气的干、湿球温度测点、配水池上布置进塔水温测点、集水池中布置出塔水温的测点、在出口处布置出塔气温测点。温度采用多点温度测量系统进行测量，温度测量精度为0.2℃；循环水流量在进塔竖管上布置电磁流量计，进塔风量在进风口采用风速表进行测量。

建立冷却塔的雨区模拟模型的步骤，还包括：

设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为1m×1m、高度15m、淋水高度为5m～15m、淋水密度在7－13m3/m2·h、风速为0.6m/s～2.8m/s。

测试时不安装填料只淋水，在模拟装置上测出：循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力，根据这些测试数据，可以算出冷却数及容积散质系数。

（1）冷却数N

$N=\frac{K_a\mathrm{hA}}{Q}={\&Integral;}_{t_2}^{t_1}\frac{C_w\mathrm{dt}}{i^{\&prime;\&prime;}-i}---(2-1)$

式中：i″—与水温相应的饱和空气比焓(kJ/kg)；

i—空气比焓(kJ/kg)；

Q—循环水量，Kg/s；

Cw—水的比热(kJ/(kg·℃))；

t1、t2—进、出塔水温（℃);

h—淋水高度（即模拟进风口高度）（m）;

A—淋水面积（m2）。

（2）容积散质系数Ka(kg/(m3·h))

$K_a=\frac{\mathrm{Nq}}{h}---(2-2)$

式中：q—淋水密度(kg/(m2·h))；

h-淋水高度(m)。

计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径的步骤之前，包括：

预设数个淋水高度，在各个淋水高度下进行测试；

采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力进行雨滴当量直径的计算；

将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。

优选地，分别对淋水高度5.0m、10.0m和14.5m进行测试，按式（2-1）和式（2－2）可整理出不同淋水高度的雨区的热力特性关系为：

淋水高度为5.0m时：

N=0.246λ^0.227                                    （2-3）

淋水高度为10.0m时：

N=0.422λ^0.214                                    （2-4）

淋水高度为14.5m时：

N=0.560λ^0.311                                    （2-5）

假定淋水的雨滴为不变型的刚性球，刚性球在空气中运动的表面面积蒸发系数为：

$K=0.514\mathrm{\&rho;}{D}_c{\left(\frac{v}{\mathrm{\&upsi;d}}\right)}^{0.5}---(2.2-1)$

$D_c=\frac{0.0805}{P_a}{\left(\frac{T}{273}\right)}^{1.8}---(2.2-2)$

水滴容积散质系数为：

$K_a=K\frac{6q}{{\mathrm{\&rho;}}_w{v}_{f}d}---(2.2-3)$

式中：v—气流流过水滴的速度，m/s；

d—水滴直径，m；

ρ_w—水的密度，kg/m3；

v_f-水滴下降速度，m/s；

T－空气的绝对温度，K。

雨滴在空气中的运动受到两个力的作用，自身重力和空气的阻力，空气的阻力为：

$f=C_d{R}_e\frac{\mathrm{\&pi;d}{\mathrm{\&mu;}}_l}{8}(u-u_w)---(2.2-4)$

其中： $C_d=\frac{24}{R_e}+\frac{6}{1+\sqrt{R_e}}+0.4$

$R_e=\frac{\mathrm{\&rho;d}|u-u_w|}{{\mathrm{\&mu;}}_l}$

式中：μ_l--空气的动力粘性系数（kg/(m2.s)）；

ρ_w—空气的密度，kg/m3；

u—空气的速度，m/s；

u_w—雨滴的的速度，m/s。

雨滴的运动方程为：

$\frac{d{u}_w}{\mathrm{dt}}=g-\frac{6}{{\mathrm{\&rho;}}_w{d}^2}{C}_d{R}_e\frac{{\mathrm{\&mu;}}_l}{8}(u_w-u)---(2.2-5)$

其余符号同前；

淋水区中的空气流速由风机的风量决定，为已知量，雨滴的流速可由式（2.2－5）求出，雨区的各点的容积散质系数可由式（2.2－1）至式（2.2－3）求得。

有了雨区各点的水滴容积散质系数，可通过下式计算雨区的平均容积散质系数。

$\stackrel{\&OverBar;}{K_a}=\frac{\mathrm{\&Sigma;\&Delta;V}{K}_a}{V}---(2.2-6)$

式中：ΔV--小的单元体体积，m³；

V--淋水区的体积，m³。

最后雨区的平均容积散质系数，可按式（2-2）求出淋水区的冷却数。

给定不同的雨滴当量直径可以计算出不同条件和淋水高度（模拟进风口高度）的雨区冷却数，根据测试数据，利用计算机的数据拟合程序，分析不同淋水高度雨滴当量直径与冷却数的关系，归纳为下式：

淋水高度为5m时：

$N=\frac{0.0003}{d^{1.507}}---(2.2-7)$

淋水高度为10m时：

$N=\frac{0.0003}{d^{1.528}}---(2.2-8)$

淋水高度为14.5m时：

$N=\frac{0.0003}{d^{1.549}}---(2.2-9)$

对比雨区的测试结果与不同当量直径的热力特性可以找出不同淋水高度、不同运行工况条件下的雨滴当量直径，在计算机内存储为雨滴当量直径表2.2-1。

表2.2-1不同运行工况条件下的雨滴当量直径表

根据所述雨滴当量直径进行运动仿真的步骤，包括：

构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型；

将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。

自然通风冷却塔在无自然风时，塔内空气流场为轴对称的二维流动。冷却塔在稳定运行状态下，塔内空气流动为定常流，空气为不可压缩。塔内填料顶面气流的雷诺数可达107，为湍流状态。流动符合轴对称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。

连续方程：

$\frac{\&PartialD;\left(u\right)}{\&PartialD;x}+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{vr}\right)}{\&PartialD;r}=0---(2.3-1)$

动量方程：

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;uu}\right)}{\&PartialD;x}+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;urv}\right)}{\&PartialD;r}-\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left({\mathrm{\&mu;}}_e\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;x}\right)-\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left({\mathrm{\&mu;}}_{e}r\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;r}\right)=-\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;x}+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left({\mathrm{\&mu;}}_e\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;x}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left({\mathrm{\&mu;}}_{e}r\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;x}\right)-\mathrm{\&rho;g}+F_x---(2.3-2)$

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;uv}\right)}{\&PartialD;x}+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{\&rho;rvv}\right)}{\&PartialD;r}-\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left({\mathrm{\&mu;}}_e\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;x}\right)-\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left({\mathrm{\&mu;}}_{e}r\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;r}\right)=-\frac{\&PartialD;p}{\&PartialD;r}+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left({\mathrm{\&mu;}}_e\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left({\mathrm{\&mu;}}_{e}r\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;r}\right)-\frac{2{\mathrm{\&mu;}}_{2}v}{r^2}+F_r---(2.3-3)$

κ方程：

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&rho;uk}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(\mathrm{\&rho;rvk}\right)=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_e}{{\mathrm{\&sigma;}}_k}\frac{\&PartialD;k}{\&PartialD;x}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(r\frac{{\mathrm{\&mu;}}_e}{{\mathrm{\&sigma;}}_k}\frac{\&PartialD;k}{\&PartialD;r}\right)+G_k-\mathrm{\&rho;\&epsiv;}---(2.3-4)$

ε方程

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&rho;u\&epsiv;}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(\mathrm{\&rho;rv\&epsiv;}\right)=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_e}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}{\&PartialD;x}\right)+\frac{1}{r}\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(r\frac{{\mathrm{\&mu;}}_e}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}{\&PartialD;r}\right)+\frac{C_1{G}_k\mathrm{\&epsiv;}-C_2\mathrm{\&rho;}{\mathrm{\&epsiv;}}^2}{k}---(2.3-5)$

式中：

$G_k={\mathrm{\&mu;}}_T(2({\left(\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;x}\right)}^2+{\left(\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;r}\right)}^2+{\left(\frac{v}{r}\right)}^2)+{(\frac{\&PartialD;u}{\&PartialD;r}+\frac{\&PartialD;v}{\&PartialD;x})}^2)---(2.3-6)$

${\mathrm{\&mu;}}_e={\mathrm{\&mu;}}_l+{\mathrm{\&mu;}}_t={\mathrm{\&mu;}}_l+C_{\mathrm{\&mu;}}\mathrm{\&rho;}\frac{k^2}{\mathrm{\&epsiv;}}---(2.3-7)$

u  x方向的气流速度（m/s）；

v  r方向的气流速度（m/s）；

ρ--气流密度(kg/m3)；

p--压力(Pa)；

g--重力加速度(m/s2)；

Fx  x方向的填料及水滴阻力(N/m3)；

Fr  r方向的填料及水滴阻力(N/m3)；

μe--有效粘性系数(N/(s·m²))；

Cμ、C1、C2、σk、σε--湍流模型常数，其值如下表：

表2.3-1湍流模型常数表

雨滴运动的数学模型

雨滴在冷却塔中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。

$m\frac{d{u}_w}{\mathrm{dt}}=m\frac{d{u}_w}{\mathrm{dx}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=m{u}_w\frac{d{u}_2}{\mathrm{dx}}=-\mathrm{mg}+f_x---(2.3-8)$

$m\frac{d{u}_r}{\mathrm{dt}}=m\frac{d{u}_r}{\mathrm{dr}}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}}=m{u}_r\frac{d{u}_r}{\mathrm{dr}}=f_r---(2.3-9)$

式中：m--雨滴的质量（kg）；

u_w,u_r--雨滴x、r方向速度（m/s）；

t--时间（s）；

f_x--空气在x方向对雨滴的作用力（N）；

f_r--空气在r方向对雨滴的作用力（N）；

ρ——空气密度（kg/m3）；

其余符号同前。

$f_x=C_d{R}_e\frac{\mathrm{\&pi;}{d}_r{\mathrm{\&mu;}}_l}{8}(u-u_w)---(2.3-10)$

$f_r=C_d{R}_e\frac{\mathrm{\&pi;}{d}_r{\mathrm{\&mu;}}_l}{8}(v-v_w)---(2.3-11)$

其中： $C_d=\frac{24}{R_e}+\frac{6}{1+\sqrt{R_e}}+0.4$

$R_e=\frac{\mathrm{\&rho;}{d}_r\sqrt{{(v-v_w)}^2+{(u-u_w)}^2}}{{\mathrm{\&mu;}}_l}$

式中：μ_l--空气的动力粘性系数（kg/(m2.s)）；

其余符号同前

雨区的热力特性

在自然通风冷却塔的淋雨区由于风速分布是二维的，沿高度与深度变化，淋水水滴与空气之间的相对速度也是变化的，可以通过式（2.2-1）～式（2.2-3）计算特定雨滴当量直径时雨区各空间点的水滴容积散质系数，采用式（2.1-6）和式（2-2）可求得雨区的冷却数。

在边界条件给定后，利用式（2.3-1）～式（2.3-11）即可进行冷却塔的塔内流场与雨滴流速场的计算。

上式(2.3-2)至式(2.3-5)可以归纳成一个统一的方程形式，设求解参数为φ：

$\frac{1}{r}(\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(\mathrm{\&rho;ur\&phi;}\right)+\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(\mathrm{\&rho;rv\&phi;}\right)-\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;x}\left(r{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{\&phi;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&phi;}}{\&PartialD;x}\right)-\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;r}\left(r{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{\&phi;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&phi;}}{\&PartialD;r}\right))=S---(2.3-12)$

式(2.3-12)中的各参数意义见下表2.3-2。

将式(2.3-12)在图4-3所示的交错网格内积分可以得到式(2.3-13)的离散化方程：

a_Pφ_P=a_Eφ_E+a_Wφ_W+a_Sφ_S+a_Nφ_N+b    (2.3-13)

采用交错网格时将标量放在网格节点上，而将速度分量分别放在w、s面上，如图2.3-3所示。并将方程的源项S线性化为：

S=S_C+S_Pφ_P                                            (2.3-14)

那么：b=S_Cr·Δr·Δx

a_P=a_E+a_W+a_S+a_N-S_Pr·Δr·Δx

a_E=D_eA(|P_e|)+[|-F_e,0|]

a_W=D_wA(|P_w|)+[|F_w,0|]

a_S=D_sA(|P_s|)+[|-F_s,0|]

a_N=D_nA(|P_n|)+[|F_n,0|]

$D_e=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_e{r}_e\mathrm{\&Delta;x}}{{\left(\mathrm{\&delta;r}\right)}_e},$ $D_w=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_w{r}_w\mathrm{\&Delta;x}}{{\left(\mathrm{\&delta;r}\right)}_w},$ $D_s=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_s{r}_s\mathrm{\&Delta;r}}{{\left(\mathrm{\&delta;x}\right)}_s},$ $D_n=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_n{r}_n\mathrm{\&Delta;r}}{{\left(\mathrm{\&delta;x}\right)}_n}$

F_e=(ρv)_er_eΔ_x，F_w=(ρv)_wr_wΔx，F_s=(ρu)_sr_sΔr，F_n=(ρu)_nr_nΔr

P_e=F_e/D_e，P_w=F_w/D_w，P_s=F_s/D_s，P_n=F_n/D_n

A(|P|)=[|0，1-0.5|P||]，符号[|A,B|]表示取A、B中较大者。

对于式(2.3-1)至式(2.3-5)，按上式(2.3-12)离散方程采用SIMPLE方法迭代求解，迭代采用欠松驰，通过调试松驰因子使迭代收敛，收敛的控制条件是以所有计算点所有方程的余额的和与塔的流入量比小于0.05%。而雨滴运动方程式(2.3-8)、式(2.3-9)系常微分方程，采用四阶龙格库塔法求解。具体求解程序如下：

1)、给定进塔风量；

2)、用SIMPLE法求解空气流场；

3)、用龙格库塔法求解雨滴速度；

4)、判别流场是否收敛，若不收敛返回第2)步；

5）、计算确定雨区平均容积散质系数；

6)、计算雨区冷却数；

7)、输出计算结果。

采用上文的方法和表2.2-1的雨区雨滴当量直径可求出不同淋水面积不同雨区高度的雨区冷却数。取三种淋水面积的冷却塔，对其各种工况进行组合如表2.3-3示。

表2.3-3雨区冷却数计算工况表

将各计算工况进行分析整理，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型，结果如下：

塔底直径为130m，进风口面积/淋水面积为0.30时，淋水高度为10.25m时：

N=0.329λ^0.201                                        （2.3-15）

塔底直径为130m，进风口面积/淋水面积为0.35时，淋水高度为11.88m时：N=0.369λ^0.223                                    （2.3-16）

塔底直径为130m，进风口面积/淋水面积为0.40时，淋水高度为13.50m时：N=0.409λ^0.256                                    （2.3-17）

塔底直径为150m，进风口面积/淋水面积为0.30时，淋水高度为11.75m时：

N=0.368λ^0.226                                    （2.3-18）

塔底直径为150m，进风口面积/淋水面积为0.35时，淋水高度为13.63m时：

N=0.414λ^0.263                                    （2.3-19）

塔底直径为150m，进风口面积/淋水面积为0.40时，淋水高度为15.50m时：

N=0.456λ^0.291                                    （2.3-20）

塔底直径为170m，进风口面积/淋水面积为0.30时，淋水高度为13.25m时：

N=0.405λ^0.260                                    （2.3-21）

塔底直径为170m，进风口面积/淋水面积为0.35时，淋水高度为15.38m时：

N=0.456λ^0.295                                    （2.3-22）

塔底直径为170m，进风口面积/淋水面积为0.40时，淋水高度为17.50m时：

N=0.474λ^0.285                                    （2.3-23）

根据式（2.3-15）～式（2.3-23），按计算机的数据拟合程序，分析出雨区的热力特性，即雨区冷却数为(底部直径大于110m、进风口高度适合于11～16m)：

N＝(-0.0014h²+0.061h-0.1496)λ^{0.0182h+0.0124}（2.3-24）

上式即为适用于“底部直径一般大于110m、进风口高度大于11m、淋水面积大于12000m2”的超大型冷却塔雨区热力特性的计算公式。

引用上式雨区测试结果，则式（1-3）变化为：

$N={\&Integral;}_{t_2}^{t_1}\frac{C_w\mathrm{dt}}{i_t^{\&prime;\&prime;}-i_a}=A{\mathrm{\&lambda;}}^n-N_m+(0.0014h^2+0.061h-0.1496){\mathrm{\&lambda;}}^{0.0182h+0.0124}(2-6)$

上式即为“底部直径大于110m、进风口高度11～16m”的超大型冷却塔的拟二维热力计算修正公式。

一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，包括：

应用如前所述的热力特性数学模型进行冷却塔的选型。

其中，所述热力特性数学模型为：

N＝(-0.0014h²+0.061h-0.1496)λ^{0.0182h+0.0124}。

本发明的仿真应用方法，应用所述热力数值计算公式进行冷却塔的建造设计，选型优化，能够节省工程成本，使预期设计工况与实际运行工况相符，误差较小。

图4为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置的示意图，包括：

模型建立模块，用于建立冷却塔的雨区模拟模型；

参数采集模块，用于在预设不同工况的条件下，采集所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

数学模型转换模块，用于根据所述雨滴当量直径进行模拟计算，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

在其中一个实施例当中，所述模型建立模块包括：

模型设置单元，用于设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米，还用于设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为1m×1m、高度15m、淋水高度为5m～15m、淋水密度在7－13m3/m2h、风速为0.6m/s～2.8m/s。

在其中一个实施例当中，参数采集模块包括：

测试单元，用于在预设的数个淋水高度下进行测试，采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力；

计算单元，用于进行雨滴当量直径的计算；

存储单元，用于将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。

在其中一个实施例当中，数学模型转换模块包括：

气流仿真单元，用于构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型；

运动仿真单元，用于将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。

本模拟仿真装置还包括显示模块，用于显示仿真测试的结果。

图4与图3相对应，图中各个单元的运行方式与方法中的相同。

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。

Claims (10)

1.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，包括：

建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；

在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

2.根据权利要求1所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，建立冷却塔的雨区模拟模型的步骤，还包括：

设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为1m×1m、高度15m、淋水高度为5m～15m、淋水密度在7－13m3/m2·h、风速为0.6m/s～2.8m/s。

3.根据权利要求2所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径的步骤之前，包括：

预设数个淋水高度，在各个淋水高度下进行测试；

采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力进行雨滴当量直径的计算；

将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。

4.根据权利要求1至3所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，根据所述雨滴当量直径进行运动仿真的步骤，包括：

构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型；

将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。

5.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，其特征在于，包括：

应用如权利要求1至4任一项所述的热力特性数学模型进行冷却塔的选型。

6.根据权利要求5所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，其特征在于：

所述热力特性数学模型为N=(-0.0014h²+0.061h-0.1496)λ^{0.0182h+0.0124}。

7.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于建立冷却塔的雨区模拟模型；

参数采集模块，用于在预设不同工况的条件下，采集所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；

数学模型转换模块，用于根据所述雨滴当量直径进行模拟计算，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。

8.根据权利要求7所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，所述模型建立模块包括：

模型设置单元，用于设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米，还用于设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为1m×1m、高度15m、淋水高度为5m～15m、淋水密度在7－13m3/m2·h、风速为0.6m/s～2.8m/s。

9.根据权利要求8所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，参数采集模块包括：

测试单元，用于在预设的数个淋水高度下进行测试，采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力；

计算单元，用于进行雨滴当量直径的计算；

存储单元，用于将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。

10.根据权利要求7至9所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，数学模型转换模块包括：

气流仿真单元，用于构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型；

运动仿真单元，用于将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。

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