CN102867084A - 超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，包括：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型；计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预设的环境气象程序；在计算流体力学软件中读入所述三维网格模型，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，进行计算得到仿真计算结果。本发明运用的CFD技术可视化程度高、可扩展性强，提出的三维仿真计算方法可以得到在环境气象条件影响下，超大型逆流式自然通风冷却塔内外部的空气流场以及冷却塔的热力性能参数，评估电厂建筑对超大型自然通风冷却塔热力性能的影响。

Description

超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法

技术领域

本发明涉及冷却塔的仿真设计技术，特别是涉及超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法。

背景技术

超大型自然通风冷却塔是内陆电厂中最为普遍的换热装置，随着火电机组容量的提高以及内陆核电的发展，需要采用超大型逆流式自然通风冷却塔来满足机组对换热装置越来越高的要求。内陆核电站所用冷却塔的淋水面积达到2×10⁴~3×10⁴，其设计尺寸已发展到塔高近220m、塔底直径近185m，这远远大于常规冷却塔的设计尺寸。

对于超大型自然通风冷却塔，在环境侧风的影响下，冷却塔轴对称的空气动力场遭到破坏，塔内冷源空气也不再呈周向均匀分布。塔内空气流动的三维性，必然影响到塔内传热传质区各区传热传质强度，造成塔内传热传质强度的非线性分布，并进一步影响到冷却塔总体传热传质性能。环境侧风一般会强化塔内迎风区域的传热传质效果，但对其他区域的热力性能却产生不利影响。

对于超大型逆流式自然通风冷却塔，鉴于其径向尺寸更大，塔底进风口附近空气流动的自由空间更大，进塔空气三维分布更易受到环境气象条件的影响。为充分利用进塔空气，实现冷却塔总体冷却性能的提高，需对超大型逆流式自然通风冷却塔气-水流场及传热传质过程进行三维仿真研究。而国内外有关冷却塔的常规分析研究方法，通常是一维方法（只考虑冷却水和空气参数高度方法的变化）和二维方法（可考虑气-水参数在高度方向和径向的变化），两者几乎不考虑塔内外气-水参数沿冷却塔周向的变化，更无法对呈现三维特征的空气流场、非均匀配水进行计算。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，能够按照超大型冷却塔内部场流进行三维特征的模拟。

一种超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，包括：

根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；

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)软件中读入所述三维网格模型，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，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：

与传统的一、二维仿真技术相比，本发明的三维数值仿真技术有着更大的适用范围和更小的适用条件。如下表所示。

冷却塔一维、二维和三维数值模型的对比表

附图说明

图1为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的流程图；

图2为本发明超大型冷却塔的三维网格模型的示意图；

图3为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的实施例流程图；

图4为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的实施例示意图之一；

图5为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真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。

二维及拟二维数值仿真计算方法，可以在无环境风、无环境建筑影响以及冷却塔稳定运行时，提高冷却塔热力计算的精度而不较大增加热力计算的时间。它采用计算流体力学方法，塔内空气流动采用轴对称定常不可压缩二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍流模型对雷诺应力进行封闭。控制方程如下：

（1）连续性方程： $\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{1}{r}\frac{\∂\left(\mathrm{vr}\right)}{\∂r}=0$

（2）动量方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{1}{r}\frac{\∂\left(\mathrm{\ρruv}\right)}{\∂r}-\frac{\∂}{\∂x}\left(u_e\frac{\∂u}{\∂x}\right)-\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{\μ}}_{e}r\frac{\∂u}{\∂r}\right)=-\frac{\∂p}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{\μ}}_{e}r\frac{\∂v}{\∂x}\right)-\mathrm{\ρg}+F_x$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂x}+\frac{1}{r}\frac{\∂\left(\mathrm{\ρrvv}\right)}{\∂r}-\frac{\∂}{\∂x}\left(u_e\frac{\∂v}{\∂x}\right)-\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{\μ}}_{e}r\frac{\∂v}{\∂r}\right)=-\frac{\∂p}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left({\mathrm{\μ}}_{e}r\frac{\∂v}{\∂r}\right)-\frac{2u_{e}v}{r^2}+F_y$

（3）k方程：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρuk}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\ρrvk}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_k}\frac{\∂k}{\∂x}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(r\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{\∂k}{\∂r}\right)+G_k-\mathrm{\ρ\ϵ}$

（4）ε方程：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρu\ϵ}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\ρrv\ϵ}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(r\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂r}\right)+\frac{C_1{C}_k\mathrm{\ϵ}-C_2{\mathrm{\ρ\ϵ}}^2}{k}$

式中：

$G_k={\mathrm{\μ}}_T(2({\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂r}\right)}^2+{\left(\frac{v}{r}\right)}^2)+(\frac{\∂u}{\∂r}+\frac{\∂v}{\∂x}))$

u、v为x、r向的气流速度（m/s）；ρ为气流密度（kg/m3）；p为压力（Pa）；g为重力加速度；Fx、Fr为x、r向的填料及水滴阻力（N/m³）。μ_e为有效粘性系数。

但是，二维数值仿真计算方法存在着如下的不足之处：

实际冷却塔内部流场由于各种条件，例如不可避免地受环境风以及电厂建筑的影响，无法保证冷却塔设计是完全对称的，因而实际影响冷却塔热力性能的空气流场总是呈现三维特征；

实际情况中，冷却塔进风口流速难以给定，而是需要通过计算获得；

计算无法考虑冷却塔支撑结构对冷却塔内部流态的影响；

只能对均匀配水情况进行计算，而无法对非均匀配水进行计算。

图1为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的流程图，包括：

S101：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸主要包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高等；

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

其中，所述环境空气参数包括大气压、干球温度、湿球温度、相对湿度等；所述冷却水参数包括进塔水密度以及对应平均水温的冷却水比热等；

S103：在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气象程序；优选地，所述计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件采用ANSYS FLUENT软件。

S104：指定传热传质区的标量为计算域，预设执行参数，对所述计算域进行初始化，输出仿真计算结果。

由于超大型逆流式自然通风冷却塔工艺尺寸较大，以及内部结构较为复杂，而使得内部流场更易呈现三维特征。针对传统一维及现今二维计算方法在冷却塔热力计算中的不足之处，本发明提出了超大型冷却塔的三维仿真计算技术，建立了针对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的仿真计算模型。

图2为本发明超大型冷却塔的三维网格模型的示意图；本发明的仿真平台采用ANSYS FLUENT软件，冷却塔的三维网格模型的构建采用Gambit软件实现。优选地，为了保证计算精度，所述三维网格模型采用分区六面体网格。

图3为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真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：根据超大型冷却塔的工艺尺寸，在Gambit软件中建立所述超大型冷却塔的三维网格模型；

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，进行计算得到仿真计算结果；

S211：根据所述仿真计算结果，分析空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。

根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高。

优选地，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。

国内外常用填料区气-水两相传热传质程序模型，通常有Merkel模型和Poppe模型两种，在三维数值计算程序中两者的区别仅在于对流传质系数、对流传热系数、Lewis数和阻力损失系数计算的不同。其中国内外大部分填料传热传质公式计算系数的给定是基于Merkel模型给出的，基于Merkel模型的填料传热传质计算公式相对较全。本专利采用Merkel模型进行计算。

CFD商业软件ANSYS FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而ANSYS FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使ANSYS FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。在ANSYS FLUENT软件中包含预设的UDF（User-Defined Function，用户定义函数）。其中，整个UDF主要包括全程变量部分，公用函数部分和表达气-水两相相互作用的源项部分以及气-水两相热量和质量传递的SOURCE源项部分。

1）全程变量部分主要包括：环境气象参数变量；进塔冷却水参数变量；冷却水特性变量；计算域变量；特征参数等；

2）公用函数部分，通过DEFINE_UDS_FLUX(uds_flux,f，t,i)定义用户自定义标量的对流量，通过此函数，使各UDS变量的对流量为（0,0,-1）；

3）气-水两相相互作用的源项部分包括：空气运动x向动量方程的阻力源项；空气运动y向动量方程的阻力源项；空气运动z向动量方程的阻力源项；

4）气-水两相热量和质量传递的SOURCE源项部分包括：定义空气连续性方程；含湿量方程的源项；定义空气能量方程源项；定义水温标量源项；定义淋水密度标量源项。

从UDF中选择与环境气象相关的程序作为环境气象程序。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。

当需要对环境风的影响进行仿真时，所述预设的环境气象程序还包括环境风速剖面程序，设置所述计算域的顶部属性为光滑墙；

当不需要对环境风的影响进行仿真时，设置所述计算域的顶部属性为压力出口边界。

若存在环境风的影响，则根据地貌粗糙度和参考高度处（一般为10m）的平均风速，给定环境风速剖面，环境风速剖面采用用户自定义函数（User DefinedFunction,UDF）来实现；出口按第二类边界条件，认为流动是充分发展的；计算域顶部认为是光滑的墙；冷却塔壁面采用墙边界条件。

若不存在环境风的影响，则计算域的侧边界取为压力进口边界条件；计算域的顶部边界采用压力出口边界边界条件；冷却塔壁面采用墙边界条件。

本发明运用的CFD技术可视化程度高、可扩展性强，提出的三维仿真计算方法可以得到在环境气象条件影响下，超大型逆流式自然通风冷却塔内外部的空气流场以及冷却塔的热力性能参数，可以考虑电厂建筑、塔群效应对超大型逆流式自然通风冷却塔热力性能的影响。

图4为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的实施例示意图之一；如图4所示为无环境风影响时的冷却塔空气流场。

图5为本发明超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法的实施例示意图之二。如图5所示为无环境风影响时的冷却塔进风口处空气流场。

综上所述，采用本发明，可以按照超大型冷却塔内部场流进行三维特征的模拟，可视化程度高、可扩展性强，考虑电厂建筑、塔群效应的影响，还可以对冷却塔的塔内环境进行预测计算。

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 (9)

1.一种超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，包括：

根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；

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)软件中读入所述三维网格模型，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，进行计算得到仿真计算结果。

2.根据权利要求1所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于：

当需要对环境风的影响进行仿真时，所述预设的环境气象程序还包括环境风速剖面程序，设置所述计算域的顶部属性为光滑墙；

当不需要对环境风的影响进行仿真时，设置所述计算域的顶部属性为压力出口边界。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求4所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括：

设置湍流模型，选择标准k-ε模型、标准wall函数。

6.根据权利要求5所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括：

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。

7.根据权利要求3所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括：

在边界条件上给定流速、温度和组分的值。

8.根据权利要求6或7所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括：

设置差分格式、松弛因子。

9.根据权利要求1至8任一项所述的超大型逆流式自然通风冷却塔工艺设计三维仿真计算方法，其特征在于，对所述计算域进行初始化，进行计算得到仿真计算结果的步骤之后，还包括：

根据所述仿真计算结果，分析空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。

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