CN102841967B - 塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法，包括：根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型；计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预设的环境气象程序；在计算流体力学软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。采用本发明，可以实现多塔流场以及热力性能的分析，对于塔的数目以及塔的布置均没有限制，具有良好的扩展性和可靠性，可以用于超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的塔群效应研究。

Description

塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法

技术领域

本发明涉及冷却塔的仿真设计技术，特别是涉及塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法。

背景技术

塔群效应，一般是指由于两座或两座以上冷却塔的排列分布使得每个冷却塔的外部影响环境发生了变化而使得冷却塔的响应也发生变化，这种响应可以是结构方面的（如风荷载），也可以是工艺方面的（如热力性能）。塔群效应受到重视最初来源于英国渡桥热电厂共有8塔高约114m的双曲线型冷却塔，分成2列，每列4座，交错布置。1965年11月1日在一次5年一遇的强风中(约20m/s基本风速)，后面一列的3座塔陆续倒坍，其他各塔也出现了裂缝。随后人们进行了大量的研究工作，认为塔群及周边建构筑物的干扰效应是冷却塔风毁事故的一个主要原因。之后塔群效应受到了学术界和工业界的重视，但大量的研究工作主要集中于对冷却塔风荷载的影响。

塔群效应不仅对冷却塔的风荷载有较大影响，对冷却塔的热力性能也有较大影响，尤其对超大型逆流式自然通风冷却塔的热力性能有着更为明显的影响。然而到目前为止，关于塔群效应对超大型逆流式自然通风湿式冷却塔热力性能影响的研究还相对少见。传统技术中，只能在冷却塔设计时，通过设置较大的塔间距来尽可能减少塔群效应的影响，存在一定的盲目性，欠缺合理的分析和预测。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法，能够模拟在环境风影响下，超大型逆流式自然通风冷却塔塔内外的空气动力场以及水温场，为冷却塔的优化设计提供科学依据。

一种塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法，包括：

根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型，其中，所述塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置；

计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预设的环境气象程序；

在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；

指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。

实施本发明，具有如下有益效果：

以往超大型逆流式自然通风冷却塔塔群效应相关的研究侧重于静风环境下的塔群对冷却塔热力性能的影响。本发明采用三维计算流体力学方法，开展了静风环境和侧风环境下，塔群效应对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能影响计算。通过计算流体力学软件，在此基础上经过大量算例的测试，具有很高的可靠性，可以用于超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的塔群效应研究。

附图说明

图1为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的流程图；

图2为本发明的冷却塔塔群分布方式的示意图；

图3为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例流程图；

图4为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例示意图之一；

图5为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例示意图之二。

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为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的流程图，包括：

S101：根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型；其中，所述塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置；

S102：计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预设的环境气象程序；

S103：在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；

S104：指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。

现有CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）技术的缺点在于它还没有考虑环境风对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的影响，以及出塔气流对大气环境的影响。同时只能计算塔群效应下冷却塔内外部的空气流场分布，而不能计算塔群效应对冷却塔热力性能的影响。鉴于现有CFD预测模型的一些不合理假设和缺点，本发明提出了一种能适应于真实环境下的塔群效应对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法。该方法可以模拟在环境风影响下，超大型逆流式自然通风冷却塔塔内外的空气动力场以及水温场，可以为冷却塔的优化设计提供计算支持。

需要补充说明的是，本专利采用有限体积法（Finite Volume Method，FVM）来对计算域和控制方程进行离散。在有限容积法中将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制体积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成做出假定，这种构成的方式就是有限体积法的离散格式。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最为广泛的一种方法。

图2为本发明的冷却塔塔群分布方式的示意图。如前所述，塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置。而且，对于塔的数目以及塔的布置均没有限制，如图2所示，可以为由双塔组成的一字型塔群分布，可以是由四塔或八塔组成的四边形塔群排列，还可以是由三塔组成的三角形分布。其中的“wind”表示风向。

图3为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例流程图。与图1相比，图3为具体实施例的流程图。

S201：根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型；其中，所述塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置；

S202：依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入ANSYS FLUENT软件预设的环境气象程序；

S203：在ANSYS FLUENT软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气象程序；

S204：指定传热传质区的进塔水温、淋水密度、雨区的雨滴初始速度以及淋水区雨滴的初始速度为计算域；

S205：设置大气压、重力加速度、布辛涅司克（Boussinesq）参数；

S206：设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数；

S207：设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热；

S208：在边界条件上给定流速、温度和组分的值；

S209：设置差分格式、松弛因子；

S210：对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果；

S211：根据所述仿真计算结果，获取各个冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。

根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型；其中，所述塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置；所述塔群包括二塔、三塔、四塔、甚至是六塔。

依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数。所述热力学相关公式包括如下的控制方程：

1)雷诺时均Navier-Stokes方程（Reynold-averaged Navier-Stokes，RANS）：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\right)}{\∂x_j}=-\frac{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\∂x_i}+\frac{\∂}{\∂x_j}(\mathrm{\η}\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂x_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u^{\′}}_i{u^{\′}}_j})$

2)Boussinesq假设：

$-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{{u^{\′}}_i{u^{\′}}_j}=-p_t{\mathrm{\δ}}_{i,j}+{\mathrm{\η}}_t(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{2}{3}{\mathrm{\η}}_t{\mathrm{\δ}}_{i,j}\mathrm{div}V$

3)k方程：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂k}{\∂t}+\mathrm{\ρ}{u}_j\frac{\∂k}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\η}+\frac{{\mathrm{\η}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\right]+{\mathrm{\η}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\mathrm{\ρ\ϵ}$

4）ε方程：

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂t}+\mathrm{\ρ}{u}_k\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_k}=\frac{\∂}{\∂x_k}\left[(\mathrm{\η}+\frac{{\mathrm{\η}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_k}\right]+\frac{c_1\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\η}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-c_2\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}$

5）温度输运方程

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρT}\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\ρUT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{c_p}\mathrm{grad}T\right)+S_T$

6）组分扩散采用对流扩散方程描述

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{\mathrm{\φ}}_k\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_i}(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i}{\mathrm{\φ}}_k-{\mathrm{\Γ}}_k\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_k}{\∂x_i})=S_{{\mathrm{\φ}}_k}$

其中，ρ为密度、为时均流速、u′_i为脉动流速，p为压强，T为温度，η_t为湍流粘性系数，k为湍动能，ε为耗散率，c₁、c₂、σ_k、σ_ε和σ_T为k-ε湍流模型系数，如表2。λ为流体的导热系数，c_p为比热容，S_T为热量的源项，Г_k为广义扩散系数，为组分的源项。

在其中一个实施例中，本发明的所述计算流体力学(Computational FluidDynamics,CFD)软件为ANSYS FLUENT软件。将参数导入ANSYS FLUENT软件预设的环境气象程序；在ANSYS FLUENT软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气象程序。

本发明采用大型通用计算流体力学软件ANSYS Fluent作为计算平台，采用其用户自定义子程序（User Defined Function，UDF）以及用户自定义标量（UserDefined Scalar，UDS）来实现大气边界层梯度风及放射性核素废气的扩散模拟。

计算域的网格生成，采用Gambit软件。

需要补充说明的是，本发明不排除采用其他商用计算流体力学软件，如CFX、PHOENICS等，用于建立塔群效应对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能影响的计算模型。

所述预设的环境气象程序包括：

冷却水运动程序、基于Merkel模型的气水两相间传热传质程序、气水两相的相互作用程序。

设定控制参数的步骤，包括：

设置大气压、重力加速度、布辛涅司克（Boussinesq）参数。

设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数。

设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热。

在边界条件上给定流速、温度和组分的值。

设置差分格式、松弛因子。

需要补充说明的是，所述湍流模型还可以采用其他湍流模型，如RNG、k-w模型。

本专利提出的三维数值模拟方法具有良好的扩展性，对于塔的数目以及塔的布置均没有限制，采用高性能计算机可以实现多塔流场以及热力性能的分析。本专利提出的计算方法在ANSYS FLUENT计算流体力学（CFD）软件平台上实现，ANSYS FLUENT是目前业内公认的商用计算流体力学软件，在此基础上开发的超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能影响计算技术具备可信的理论和先进的数值方法支撑。模型经过大量算例的测试，具有很高的可靠性，可以用于超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的塔群效应研究。

图4为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例示意图之一；如图4所示，为低速环境风影响下的双塔一字型分布的塔群热力特性仿真图。

图5为本发明塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法的实施例示意图之二。如图5所示，为高速环境风影响下的双塔一字型分布的塔群热力特性仿真图。

根据所述仿真计算结果，获取各个冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。下面结合图4、图5，对本发明的具体应用方式做进一步的说明。

以往超大型逆流式自然通风湿式冷却塔塔群效应相关的研究侧重于静风环境下的塔群对冷却塔热力性能的影响。本发明采用三维计算流体力学方法，开展了静风环境和侧风环境下，塔群效应对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能影响计算。通过计算发现了一些重要的规律，以双塔一字型分布的塔群为例：

无环境侧风影响时，双塔塔群间空气动力场影响较小。而环境侧风条件下，由于存在上风向和下风向的关系，双塔塔群效应对两塔冷却性能影响较大。对于双塔塔群，侧风条件下，背风侧冷却塔受迎风侧冷却塔存在的影响较大：低速侧风条件下（如图4所示），因背风侧冷却塔迎风侧进风口空气流速降低，减小了背风侧冷却塔塔筒内迎风侧部分空间空气的上升动力；在塔顶来流空气动压基本不变的情况下，在背风侧冷却塔塔筒顶部迎风侧部分诱导出较大的空气倒流，增大了背风侧冷却塔空气上升阻力，降低了背风侧冷却塔整体热力性能；迎风侧冷却塔受背风侧冷却塔存在的影响较小；随塔心间距的加大，迎风侧冷却塔和背风侧冷却塔之间的不利影响略有减小。

高速侧风条件下（如图5所示），两塔出塔水温的偏差降低，塔群效应的不利作用相对变小。但迎风侧冷却塔的存在对背风侧冷却塔的影响依然较大，两塔出塔水温偏差在0.5℃左右。随塔心间距的增大，两塔间低速空气流动区域的发展空间变大，使两塔出塔水温略有升高。

为降低侧风条件下，冷却塔塔群所产生的不利作用，冷却塔塔群不能沿年平均风向水平布置，而应使塔心连线垂直于年平均风向，即塔群应沿年平均风向的垂直方向布置。

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 (2)

1.一种塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法，其特征在于，包括：

根据冷却塔的塔群分布方式以及各个冷却塔的工艺尺寸，建立塔群分布的冷却塔的网格模型，其中，所述塔群分布方式主要包括一字型分布、四边形排列、菱形布置；

计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预设的环境气象程序，所述预设的环境气象程序包括：冷却水运动程序、基于Merkel模型的气水两相间传热传质程序、气水两相的相互作用程序；

在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；

指定传热传质区的进塔水温、淋水密度、雨区的雨滴初始速度以及淋水区雨滴的初始速度为计算域，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果；

根据所述仿真计算结果，获取各个冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温；

所述设定控制参数的步骤，包括：

设置大气压、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)参数；

设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数；

设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热；

在边界条件上给定流速、温度和组分的值；

设置差分格式、松弛因子。

2.根据权利要求1所述的塔群效应下超大型逆流式自然通风冷却塔的热力计算方法，其特征在于：

所述计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件为ANSYSFLUENT软件。