復(fù)雜環(huán)境中多臺冷卻塔周圍氣流特性CFD模擬

復(fù)雜環(huán)境中多臺冷卻塔周圍氣流特性CFD模擬白永圓;易煦;付亞斐【摘要】TheCFDtechnologywasusedtosimulatethedistributionofflowfieldandairflowtemperaturefieldofcoolingtowerwhichissetinthecomplexenvironment.Itprovidesreferencesforsimilarprojectcoolingtowerlayoutstoreduceunfavorablebackflowintentionsduetopoorlydesignedcoolingtowers.%本文采用CFD技術(shù)，快捷、經(jīng)濟(jì)、多工況分析的數(shù)值模擬，對復(fù)雜建筑環(huán)境中的橫流冷卻塔群進(jìn)行周圍氣流特性的數(shù)值模擬，計(jì)算出相應(yīng)的返混率以確定冷卻塔設(shè)計(jì)的可行性，為類似工程冷卻塔布置得項(xiàng)目提供參考，以降低由于冷卻塔設(shè)計(jì)不當(dāng)引起不利的回流意向.【期刊名稱】《建筑熱能通風(fēng)空調(diào)》【年（卷），期】2019（038）001【總頁數(shù)】4頁（P67-70）【關(guān)鍵詞】焓差理論;冷卻塔回流率;橫流冷卻塔【作者】白永圓;易煦;付亞斐【作者單位】柏誠工程技術(shù)（北京）有限公司;柏誠工程技術(shù)（北京）有限公司;柏誠工程技術(shù)（北京）有限公司【正文語種】中文0引言影響冷卻塔性能的因素包括空氣濕球溫度、空氣流量、室外來流風(fēng)速、冷卻塔的布置等，其中冷卻塔的布置很重要，涉及冷卻塔和冷卻塔之間、冷卻塔和周圍的建筑之間的相互影響，以及外部風(fēng)環(huán)境。部分項(xiàng)目從空間限制、運(yùn)行噪音等角度考慮，一般將冷卻塔布置在隱蔽的區(qū)域，并為避免噪音對建筑美觀造成影響，經(jīng)常采用百葉將冷卻塔遮擋起來。若冷卻塔布置不當(dāng)，受自然風(fēng)、冷卻塔進(jìn)風(fēng)口吸力的影響，可能導(dǎo)致冷卻塔熱濕空氣產(chǎn)生回流，和其他塔排出的濕熱空氣干擾，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫濕度增高，并惡化冷卻塔的周邊微環(huán)境。冷卻塔所處環(huán)境的復(fù)雜性、重要性，難以單純依靠工程經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行分析，為解決半閉式空間內(nèi)冷卻塔群排風(fēng)返混影響冷卻塔換熱效率問題，相比于現(xiàn)場、模型試驗(yàn)測量，采用CFD模擬具有快捷、經(jīng)濟(jì)、多工況分析的特點(diǎn)［1-2］。本文采用CFD軟件ANSYSFLUENT，對處于工程實(shí)例中的橫流冷卻塔進(jìn)行外部氣流特性的數(shù)值模擬，研究結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)提供參考，以降低由于冷卻塔設(shè)計(jì)不當(dāng)引起不利的回流影響。1冷卻塔的穩(wěn)態(tài)模型1.1工程概況和氣象參數(shù)本次采用CFD技術(shù)模擬冷卻塔氣流特性的建筑物地處廈門。本項(xiàng)目冷卻塔區(qū)域四周為實(shí)體幕墻，且區(qū)域頂部按景觀要求需保持平整，這造成冷卻塔區(qū)域?qū)嶋H上成為一個(gè)頂部加蓋的井式空間。此種情況有可能會導(dǎo)致冷卻塔散熱不足從而影響制冷系統(tǒng)性能，在建筑的西南側(cè)裙房屋面，冷卻塔塔身高6833mm，其基礎(chǔ)高1500mm，距地面距離為8333mm，環(huán)廊女兒墻高度為6800mm，女兒墻上增加1633mm高的側(cè)遮擋百葉，冷卻塔上方鋪設(shè)遮擋百葉，為了簡化計(jì)算，確保遮擋率的前提下，將80mm寬的遮擋百葉兩兩合并。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口尺寸按照凈面積考慮。百葉高度與冷卻塔出風(fēng)口高度基本平齊，環(huán)廊頂標(biāo)高為8433mm,冷卻塔布置平面圖如圖1~2。圖1冷卻塔布置平面圖圖2冷卻塔布置平面圖（粉色-遮擋百葉）該城市夏季空調(diào)期間室外氣象參數(shù)：海拔為139.4m。大氣壓力夏季99.45kPa。夏季空調(diào)計(jì)算干球溫度33.5°C。夏季空調(diào)計(jì)算濕球溫度27.5°C。夏季通風(fēng)計(jì)算相對濕度71%。夏季室外平均風(fēng)速3.1m/s。1.2模型的數(shù)學(xué)描述冷卻塔的布置是影響其性能的關(guān)鍵因素，冷卻塔的不合理布置不僅使得其性能降低，增加系統(tǒng)能耗，其噪聲還會影響人們的生活環(huán)境，甚至?xí)绊懡ㄖ恼w美觀。因此很多建筑的冷卻塔被放在樓頂或者地面的下沉空間中，有效地降低了其噪聲的傳播，由于其陷于地下，不會影響建筑的整體美觀。但是這種放置方式將不可避免的導(dǎo)致冷卻塔排出的熱風(fēng)被重新吸入冷卻塔，導(dǎo)致冷卻塔的入口風(fēng)溫升高，冷卻能力下降，直接影響到冷機(jī)的工作性能。當(dāng)冷卻塔存在嚴(yán)重回流的情況時(shí)，會影響塔自身熱工性能，也會提高出水溫度，降低冷機(jī)的運(yùn)行效率，帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。采用CFD動(dòng)態(tài)流體計(jì)算分析進(jìn)行防范，進(jìn)行模擬分析判斷，如果確實(shí)存在嚴(yán)重不利情況，提早發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)，則可以避免后期反復(fù)返工，整改帶來的不便和額外投資。為了便于研究，本文將一定安裝方式下冷卻塔的總排風(fēng)中再次回流進(jìn)入冷卻塔的風(fēng)量所占比例定義為冷卻塔的返混率。它代表了由于安裝或者冷卻塔排布弓I起的熱風(fēng)回流量的相對大小。該值與多種因素有關(guān)：例如風(fēng)口的尺寸，來流風(fēng)速，冷卻塔組合布置方案（如冷卻塔間距、冷卻塔與障礙物的距離）等。項(xiàng)目采用CFD模擬計(jì)算的方法，采用CFD模擬計(jì)算工具ANSYSFLUENT進(jìn)行冷卻塔風(fēng)環(huán)境的分析，而評價(jià)冷卻塔交攵率的指標(biāo)為冷卻塔返混率。流動(dòng)特征為三維不可壓粘性湍流，考慮熱濕空氣間傳熱，采用k-s湍流方程進(jìn)行NS方程求解，分別考慮外界環(huán)境為有風(fēng)和無風(fēng)的狀態(tài)。以Qa代表冷卻塔冷空氣流量，Qb代表冷卻塔出風(fēng)風(fēng)量，Qb’為進(jìn)風(fēng)口熱風(fēng)回流量，Qc為冷卻塔的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，相對應(yīng)的焓為ia、ib、ib、ic。根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒，可得：根據(jù)返混率定義以及公式，可以得到以焓定義的冷卻塔返混率公式如下：式中：n為冷卻塔返混率，％；ia為外界空氣焓值，kJ/kg；ib為冷卻塔出風(fēng)口焓值，kJ/kg；ic為冷卻塔進(jìn)風(fēng)口焓值，kJ/kg。在實(shí)際模擬過程及工程實(shí)際應(yīng)用中，用焓值計(jì)算相對較復(fù)雜，因此可以簡化為用溫差比代替焓差比。從焓濕圖（圖3、4）中可以看出，冷卻塔進(jìn)風(fēng)口的混合點(diǎn)C有可能到達(dá)過飽和狀態(tài)在過飽和區(qū)，也有可能到達(dá)不飽和狀態(tài)在不飽和區(qū)。當(dāng)C點(diǎn)處于過飽和區(qū)時(shí)，水蒸氣將從空氣中凝結(jié)出來，在焓濕圖上空氣狀態(tài)將近似沿等焓線從C點(diǎn)達(dá)到100%濕度線上的D點(diǎn)，這時(shí)返混率應(yīng)該按照空氣的焓值計(jì)算。而當(dāng)C點(diǎn)處于不飽和區(qū)時(shí)，則tD=tC，用焓值和溫度計(jì)算結(jié)果相同。圖3C點(diǎn)在過飽和區(qū)圖4C點(diǎn)不在過飽和區(qū)實(shí)際中，由于冷風(fēng)量QA比熱回風(fēng)量QB大許多，所以一般來說混合點(diǎn)處于非飽和狀態(tài)，因此返混率可以直接采用溫度計(jì)算，如下式所示：式中：n為冷卻塔返混率，％；ta為通風(fēng)（干球）溫度，°C;tb為冷卻塔出風(fēng)溫度，。C;tc為冷卻塔進(jìn)風(fēng)溫度，C。1.3數(shù)值模擬思路冷卻塔周圍氣流組織CFD數(shù)值模擬算法的思路如下：①根據(jù)空調(diào)冷卻塔群的布置方式，結(jié)構(gòu)尺寸以及半封閉建筑空間結(jié)構(gòu)尺寸，采用SPACECLAIM軟件建立三維實(shí)體模型。②采用ANSYSICEM軟件對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立網(wǎng)格模型。根據(jù)冷卻塔風(fēng)量及進(jìn)出口百葉尺寸，計(jì)算對應(yīng)風(fēng)速，由當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)得知來流溫度、室外氣流速度、太陽輻射相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況查詢維護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。在ANSYSFLUENT軟件中讀入所述三維網(wǎng)格模型，設(shè)定各模型參數(shù)、邊界條件等［4］。⑤在ANSYSFLUENT軟件中迭代計(jì)算，查看模擬結(jié)果。2冷卻塔數(shù)值模擬2.1模擬參數(shù)及邊界條件本次模擬三臺冷卻塔總風(fēng)量為2560524m3/h，分析主要冷卻塔風(fēng)機(jī)100%（方案1）、50%風(fēng)量（方案2）運(yùn)行時(shí)的返混率。對方案2無環(huán)境風(fēng)情況下進(jìn)行模擬，分析冷卻塔運(yùn)行時(shí)的返混率（方案3）。方案1:冷卻塔進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為4.8m/s、出風(fēng)口風(fēng)速為13m/s。方案2:冷卻塔進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為2.4m/s、出風(fēng)口風(fēng)速為6.5m/s。冷卻塔出風(fēng)溫度：37C室外來流風(fēng)溫度：33.5°C,冷卻塔出風(fēng)速度根據(jù)冷卻塔的風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及出口尺寸求得。環(huán)境風(fēng)速的選擇：主導(dǎo)風(fēng)向選擇正南風(fēng)，風(fēng)速3.1m/s。冷卻塔出風(fēng)口高度與四周圍遮擋百葉平齊，這是個(gè)典型的完全下陷式布置。此次模擬的計(jì)算區(qū)域范圍（LxWxH）:123000mmx71000mmx55000mm。2.2模型建立根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立模擬模型，考慮百葉對冷卻塔的遮擋作用，模型圖如圖5~6所示。圖5冷卻塔CFD整體網(wǎng)格模型圖圖6冷卻塔CFD局部網(wǎng)格模型圖2.3冷卻塔通風(fēng)模擬結(jié)果CFD軟件能很好地模擬出較復(fù)雜建筑環(huán)境中冷卻塔的流場分布和溫度分布，以及冷卻塔的熱羽流和冷卻塔空間復(fù)雜的氣流組織。圖7~9給出了CFD模擬出的冷卻塔出口處氣流的溫度分布。由圖7~9可見：100%風(fēng)量工況下的熱氣流抬升較其它工況要好很多，這樣使排風(fēng)口處的熱羽流與周圍空氣的對流傳熱大幅降低，降低了進(jìn)風(fēng)口處濕熱氣流返混的效果，填料進(jìn)風(fēng)口處的溫度更加接近環(huán)境溫度。圖7100%風(fēng)量有環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出口溫度正面分布云圖圖850%風(fēng)量有環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出口溫度正面分布云圖圖950%風(fēng)量無環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出口正面溫度分布云圖由冷卻塔外部風(fēng)環(huán)境速度云圖10~12看出，CFD能很好地模擬出復(fù)雜建筑環(huán)境中布置冷卻塔的氣流組織和溫度分布，給出了渦流區(qū)的分布和氣流流向規(guī)律，以及冷卻塔的熱羽流和冷卻塔之間復(fù)雜的氣流流態(tài)。冷卻塔的填料進(jìn)風(fēng)區(qū)域由于受塔內(nèi)風(fēng)機(jī)卷吸呈負(fù)壓，使得周圍空氣受壓差作用進(jìn)入進(jìn)風(fēng)區(qū)。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向正南風(fēng)下，當(dāng)冷卻塔出風(fēng)口風(fēng)速較大時(shí)，有利于緩解熱風(fēng)回流的現(xiàn)象，具體參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1。圖10100%風(fēng)量有環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出風(fēng)口截面速度矢量分布圖圖1150%風(fēng)量有環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出風(fēng)口截面速度矢量分布圖圖1250%風(fēng)量無環(huán)境風(fēng)工況冷卻塔出風(fēng)口截面速度矢量分布圖表1冷卻塔返混率統(tǒng)計(jì)表方案1方案2方案3冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量百分比/%1005050回風(fēng)口平均溫度/134.1034.2634.30返混率/%10.913.814.63結(jié)論CFD模擬了橫流冷卻塔風(fēng)量分別為100%（有環(huán)境風(fēng)）和50%（有環(huán)境風(fēng)、無環(huán)境風(fēng)）時(shí)冷卻塔的氣流組織，并模擬計(jì)算出相應(yīng)的返混率。從模擬計(jì)算結(jié)果得出：按照方案2、3冷卻塔風(fēng)量50%有環(huán)境風(fēng)、無環(huán)境風(fēng)情況下運(yùn)行時(shí)的返混率相對較大。即冷卻塔出風(fēng)風(fēng)速越大、室外有環(huán)境風(fēng)的情況下回流率較小，回流氣流與空氣能很好的混合，有利于降低冷卻塔進(jìn)風(fēng)口溫升和群塔的平均回流率。實(shí)際工程中，可以通過CFD模擬計(jì)算來確定復(fù)雜建筑環(huán)境中最佳的冷卻塔布置方案或驗(yàn)證冷卻塔布置方案是否可行，使工程設(shè)計(jì)滿足冷卻塔性能需求、建筑美觀、噪聲