（动力机械及工程专业论文）湿冷机组自然通风冷却塔加装导流板的数值模拟.pdf

k飞一11-一霪零： p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文湿冷机组自然通风冷却塔加装导流板 的数值模拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 企趁 导师签名： k1 kj曩 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文使用f l u e n t 数值模拟软件，对1 0 0 0 m w 机组的自然通风湿式冷却塔进行 了数值模拟研究。通过模拟计算，环境冷空气进入雨区，在向内部流动的过程中，由于 空气湿度，速度等与淋水密度不匹配，导致塔内中心区域换热效果不好，冷却效果低。 在此基础上，提出了多种加装导流板的措施，增加塔内中心区域的空气上升速度和扰动， 加强传热。模拟并计算了不同安装方式的效果，在其他条件都相同的情况下，提出了最 佳的安装方案能使出塔水温降低0 6 c 左右。 关键词：冷却塔，热力性能，导流板，数值模拟 a b s t r a c t t h r o u g hu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns 0 1 a r ef l u e n t , r e s e a r c ho nn a t u r a ld r a f tw e t c o o l i n gt o w e r ( n d w c t ) o f1 0 0 0 m wp o w e ru n i tw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a f t e r s i m u l a t i o no fa i rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h ea u t h o rf i n d st h a tw h e nt h ec o l da n dd r y a m b i e n ta i re n t e r st h er a i nz o n ea n df l o w si n t ot h et o w e r , t h em i s m a t c hb e t w e e nw a t e rm a s s v e l o c i t ya n da i rm a s sv e l o c i t yc a u s e st h ee f f e c to f h e a tt r a n s f e ri sn o tg o o di nt h ec e n t e rr e g i o n b a s e do nt h er e s e a r c h ，i tp r o p o s e ss e v e r a lm e t h o d so fi n s t a l l i n gd e f l e c t o rt oi n c r e a s et h ea i r v e l o c i t ya n dd i s t u r b a n c ei nc e n t e rr e g i o na n ds t r e n g t h e nt h eh e a tt r a n s f e r u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，t h et e m p e r a t u r ea f t e ro p t i m i z a t i o nd e c r e a s e sa b o u t0 6 。c j i nt o n g ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h o ul a n x i n k e y w o r d s ：c o o l i n gt o w e r , t h e r m a lp e r f o r m a n c e ，d e f l e c t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n lr气 k i k ，j 华北电力大学硕士学位论文目录 录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 冷却塔研究背景及意义1 1 2 冷却塔概述1 1 2 1 电厂冷却塔和冷端系统简介1 1 2 2 冷却塔的分类2 1 2 3 冷却塔的构成一3 1 3 国内外研究现状3 1 4 本文的研究工作6 第二章c f d 软件简介7 2 1f l u e n t 程序的结构7 2 2g a m b i t 生成网格8 2 2 1 网格的类型8 2 2 2 网格的选择8 2 3f l u e n t 求解器的选择9 2 4 离散相模型9 2 5 湍流模型1 0 2 6s i m p l e 算法1 l 2 7 亚松弛格式1 2 2 8 用户自定义函数( u d f ) 1 2 第三章冷却塔数值模型1 3 3 1 离散相模型1 3 3 1 1 连续相( 湿空气) 控制方程1 3 3 1 2 离散相( 水滴) 控制方程1 4 3 1 3 离散相初始条件与边界条件1 7 3 2 填料区热质传递模型1 8 3 2 1 模型简化1 8 3 2 2 填料内气液耦合计算模型1 9 3 3 冷却塔内阻力模型2 l 第四章冷却塔原始运行工况的数值模拟2 2 4 1 计算边界条件2 2 4 1 1 物理边界条件2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 2f l u e n t 计算边界条件2 2 4 2 计算结果分析2 3 4 2 1 参考工况模拟2 3 4 2 2 变工况模拟2 4 4 3 本章小结2 7 五章雨区外侧加斜置导流板对冷却塔热力性能的影响2 8 5 1 设定初始条件2 8 5 2 工况模拟计算2 9 5 2 1 导流板不同安装角度的影响3 0 5 2 2 喷淋区分区配水：3 0 5 3 本章小结3 1 六章加装水平向上方向导流板的数值模拟3 2 6 1 原始工况分析3 2 6 2 初始边界条件3 2 6 3 进风口外加装斜向上导流板3 3 6 3 1 导流板无间隙和有间隙安装的分析比较3 3 6 3 2 导流板的不同安装角度3 5 6 3 3 导流板的安装间距3 6 6 4 结论3 8 第七章电厂冷却塔塔群空气场的数值研究3 9 7 i 冷却塔成一字型排列的空气动力场模拟3 9 7 1 1 计算边界条件3 9 7 1 2 模拟计算结果4 0 7 2 冷却塔成正四边形排列的空气动力场模拟4 2 7 2 1 计算边界条件4 2 7 2 2 模拟计算结果4 2 7 3 结论4 3 第八章结论与展望4 4 参考文献4 6 致谢4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 l一j 厶 l t 华北电力大学硕士学位论文 1 1 冷却塔研究背景及意义 第一章绪论 冷却塔性能的好坏对火电厂运行的经济性和稳定性有很大影响。首先，从经济 性方面讲，火电厂的冷源损失是各项损失中最大的一部分。如果冷却塔性能不好， 或者是运行不稳定，进入凝汽器的冷却水温便会升高，使得凝汽器的真空下降，排 汽压力增加，汽轮机组的冷源损失增加、效率下降，从而导致发电煤耗增加【i 】。因 此针对冷却塔的冷却性能进行结构优化、改造，将带来比较明显的节能效果【2 l 。资 料表明，对于中压机组，循环水出塔温度降低1 ，效率能够提高0 4 7 ；对于高 压机组能提高0 3 5 ；核电厂则能提高0 7 t 2 1 。其次，从火电机组运行的安全性和 稳定性方面看，出塔水温的升高导致凝汽器真空降低，使排气压力和排气温度升高， 严重时将引起汽轮机低压缸胀差发生异常变化和低压缸变形，造成机组振动乃至引 起故障停机。因此，仅从这两个角度讲，冷却塔的性能优化研究是一个很现实也是 很迫切的课题。 ，一 1 2 冷却塔概述 1 2 1 电厂冷却塔和冷端系统简介 图1 1 为电厂冷端系统简图。汽轮机的乏汽在凝汽器中释放出汽化潜热，并将 热量传给冷却水。夹带废热的冷却水在冷却塔中将其热量传给空气，空气温度升高， 最终将热量散失于大气中。在冷却塔内冷却过的水变成低温水，有循环水泵将其送 入凝汽器，循环使用i j j 。 以自然通风冷却塔为例，由凝汽器来的含有废热的冷却水由管道通过竖井送入 热水分配系统。通过配水系统将热水均匀散布于冷却塔横街面上；然后通过喷溅设 备，将水洒到填料上；经填料后成雨状落入蓄水池，冷却后的水抽走重新使用。塔 筒底部为进风口，用人字柱或交叉支撑。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，通过收水器回收空气中的水滴后，再从塔筒 出口排出。塔外冷空气进入冷却塔后，吸收由热水蒸发和接触散失的热量，温度增 加，湿度变大，密度变小。由于塔内、塔外空气密度差异，在进风口内外产生压差， 致使塔外空气源源不断的流进塔内而无需通风机械提供动力。 华北电力大学硕士学位论文 凝汽器 乏 1 2 2 冷却塔的分类 图1 - 1 冷端系统示意图 却塔 冷却塔按冷却方式可分为湿式冷却塔和干式冷却塔，其中湿式冷却塔按水流及 气流的方向分为逆流塔河横流塔。按气流产生方式分为：机械通风冷却塔、带辅助 风机的自然通风冷却塔和双曲线自然冷却塔【4 1 。机械通风冷却塔由于运行费用高、 风机噪音大、容易发生故障，因而在我国电力系统中应用较少。带辅助风机的自然 通风冷却塔虽有很多优点，但由于结构复杂，运行维护工作量大，也很少采用。 干式冷却塔又称空冷塔，是用空气作为冷却介质的冷却塔。根据传热载体的不 同可分为直接空冷和间接空冷两种。所谓直接空冷，即将汽机的排气直接引入冷却 塔内的散热管，蒸汽凝结成水所散发的热通过散热管转给空气再由空气释放到大气； 间接空冷则仍然利用水为载热体，将在凝汽器获得的热量由散热管通过空气散发到 大气中。由于这类塔需要耗用大量的金属散热管，其成本昂贵，仅适用于严重缺水 地区，目前我国山西太原、大同、内蒙丰镇等电厂采用了空冷塔。 湿式冷却塔按水、气流动方向可分逆流式和横流式。逆流式是指水流由上而下， 空气则由下向上流动，在水气作相对运动的过程中进行热质交换；横流式则指水由 上而下流动，空气流动方向与水流成9 0 。夹角。这两种型式淋水装置的主要区别 就在于逆流塔的淋水装置设在塔体内，而横流塔则将淋水装置设在塔体的外围或两 侧。逆流塔水的冷却过程包括喷溅装置( 冷却1 0 左右) 、淋水填料( 冷却7 0 左右) 和填料下部的雨区( 冷却2 0 左右) 三个部分，而横流塔则1 0 0 在填料区内冷却。 由于这一特定的条件，逆流塔和横流塔所采用的填料应有所区别。从散热的份额看， 填料的特性将直接影响冷却塔的效率。在填料的选型上既要考虑逆流塔和横流塔的 区别和填料的热力、阻力特性，又要考虑循环水水质条件和冬季结冰对填料影响的 2 l j 、 i 华北电力大学硕士学位论文 严重程度以及填料的造价等因素。 自然通风冷却塔是通过冷空气在塔内增温后形成塔内、外空气密度差所产生的 压力差，使塔内具有一定浮力的上升气流，这一浮力必须大于塔( 从进口到出口) 的 总阻力，才能保证塔的正常运行。自然通风冷却塔具有运行费用低、故障少、易于 维护的特点；且因风筒高，在运行时羽流对周围环境的影响小，因此在电厂和大型 石化工厂被广泛采用。 1 2 3 冷却塔的构成 通风筒其作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，将湿热空气排至大 气层，减少湿热空气回流。其材料一般用钢筋混凝土制成。 收水器其作用是将冷却塔气流中携带的水滴与空气分离，减少循环水被空气带 走的损失。除水器通常是采用惯性撞击分离法技术原理设计的，一般由倾斜布置的 板条、波形或弧形叶板组成。 配水系统其作用是将待冷却水雾化喷淋到整个淋水填料上。配水分布性能的优 劣，将直接影响空气分配的均匀性及填料发挥冷却作用的能力，并最终影响冷却水 温降。 淋水填料其作用是将热水溅散成水滴或水膜，以增加水和空气的接触面积和接 触时间，即增加水和空气的热交换强度。循环水的冷却过程主要在淋水填料中进行， 其所产生的温降达整个塔温降的6 0 7 0 。填料的型式有薄膜式、点滴式、薄膜 点滴式等，可根据不同情况加以选取【5 1 。 雨区和集水池：气流进入冷却塔，先经过雨区，然后经过填料。热水经过冷却 后，汇集到集水池内，然后从集水池流到水泵房，循环使用。集水池的容积，应保 证冷却塔的正常运行，以及冷却塔突然停止运行时，水不会溢出池外。通常，集水 池具有储存和调节水量的作用【6 】。 1 3 国内外研究现状 从1 9 0 4 年第一座工业冷却塔在法国建成至今的一个世纪里。人们对冷却塔的 性能做了大量的研究工作，摸索出了许许多多的设计和改造方法。在初期的时候， 人们把冷却塔的外形作为出发点，先后出现了圆形、方行、多边形等各种形状的冷 却塔。在文献 7 】中提出了一个最佳的冷却塔外形。在以后的发展中，人们研究了不 同填料、不同配水布置、除水器设备以及环境条件对冷却塔性能的影响。文献【8 】 分析了冷却塔的节能潜力，指出了冷却塔出塔水温每升高l 对发电机组的效率的 3 华北电力大学硕士学位论文 响和填料形状及对水温的影响，文献【9 】作了将水泥格网填料换为复波式塑料淋水 料后的对比试验。文献 1 0 贝l j 给出了对冷却塔加装除水器后的现场运行结果。 随着科学的进步和计算机技术的发展，有关冷却塔的计算模型和研究方法，也 历很长足的发展。1 9 2 5 年，m e r k e l i i l 】首次阐述了冷却塔运行机理，并提出的焓差 模型。这个模型也成为大多数人分析冷却塔运行的理论基础。m e r k e l 的模型引起 论最多的一点就是在他的模型中忽略了液膜阻力。 1 9 6 1 年，b a k e r 和s h r y o c k 1 2 】提出了冷却塔性能分析的通用方法。他们分析了 冷却塔的特性曲线和填料性能曲线，从而可以确定冷却塔的工作点，并且用这种方 法对横流式冷却塔进行热计算。 1 9 7 8 年，i a f u r z e r 1 3 】提出了自然通风逆流式冷却塔塔内气流运动速度在全断 面非均匀分布的思想，并对塔内流动及传热做了计算。他将填料及其风筒内气流简 化为一维流动，将填料以下的气流简化为横向流；利用两相间各自的热平衡方程， 导出了填料和雨区的换热模型。计算中，雨区和填料区取同一传质系数。但计算结 果和实际情况偏差较大。 1 9 8 0 年，j e b r i s o n 1 4 】等采用t n a v i e r - s t o k e s 方程对柱形自然通风逆流式冷却塔 塔内流动进行了数值计算，采用有限单元法求解，计算中考虑了填料和雨区对气流 的阻力影响。 1 9 8 3 年，s u t h e r l a n d 1 5 】对m e r k e l 方法中近似假设引入的偏差进行了分析，主要 考察了忽略水分蒸发损失的影响。他认为，方法中的这一假设会造成设计出来的冷 却塔比实际要求大。他编制了一套计算机程序对之进行修正，并得到了一些较为精 确的冷却塔设计参数。 8 0 年代末期，w e b b 1 9 1 等对冷却塔和蒸发式冷却设备中传热传质过程提出了 一种统的热力分析方法，并对现行的计算方法进行了评述。提出用效能一传热单 元数法对冷却塔进行研究。 1 9 8 4 和1 9 8 8 年，d j b e n t o n 2 0 1 等人提出用有限积分法分析冷却塔塔内传热传质 和传递动量的过程，对传热传质提出较好的模型，但是用b e r n o u l l i 方程近似一维气 相的动量守恒方程求出压力场。 9 0 年代末期，f o u r n e i r 和b o y e r 2 1 】以及其他的研究者研究的数值模型主要考察 不同运行参数对冷却塔性能的影响。 g g a n 2 2 瑙】等提出了几种数学模型，考虑了同时进行的传热、传质和动量传递 4 华北电力大学硕士学位论文 过程，这些模型都基于m e r k e l 理论以及它的修正形式，能够分析不同配置的冷却塔 的热力过程。文献 2 7 - - 2 9 修正了m e r k e l 方法，并且对冷却塔中的传热传质过程列 出了一组一维方程组，求出了水温以及空气参数的分布。 最近，f i s e n k o c t a 1 1 3 0 , 3 1 提出了一种数学模型来分析自然通风湿式冷却塔的性 能。在喷射区，他们只考虑从水滴的传质，而忽略由于湿空气的温度和湿度的增加 ， 带来的影响。在雨区，他们只考虑从水滴的传热。并且假定填料层光滑且垂直，湿 空气在填料区的速度为定值。最后得出，水与空气的流速比对于自然通风湿式冷却 塔的冷却效率来说是最重要的因素。 在我国，由于各方面条件所限，这方面工作开展较晚。 1 9 8 6 年，文建刚【3 2 】用n a v i e r - s t o k e s 方程，对双曲型逆流式自然通风冷却塔的塔 内气流场进行了数值模拟，并对塔内热交换做了计算。气流场计算中采用层流模型， 在热力计算中将雨区和填料区混在一起，具有一定的近似性。 1 9 8 8 年，赵顺安【3 3 】在文建刚的基础上，采用大涡模拟中的s g s 湍流模式对塔内 气流场做了数值计算，并利用两相间各自热平衡方程进行了热力计算，对填料和雨 区的换热做了不同的模型，计算结果较好。 1 9 9 0 年，刘永红【3 4 】对双曲型逆流式自然通风冷却塔塔内流动和热交换进行了进 一步的数值模拟，气流场计算中采用r g 模式，并对含湿量场做了计算，计算结果 较为满意。 1 9 9 7 年，杨强林【3 5 】在的焓差法模型的基础上进行了改进和修正，对横流式蒸发 冷却器进行了深入的热力计算，并分析了各个参数对冷却塔热力性能的影响。 近几十年，计算机技术的飞速发展使以计算机进行大规模计算为基础的数值模 拟方法成为冷却塔研究的主要方法。数值模拟没有实验方法那么多的限制，并可以 在整个计算区域内提供所有相关变量的值。因此现在的研究多采用数值模拟的方 法但是前期的数值模拟大都是建立在冷态模型的基础上的。由于冷态模型又很大 程度上依赖于冷却塔的实验结果，因而很难对冷却塔的各种可能的工况进行准确的 数值模拟，这样，冷态模型大大限制了数值模拟的应用范围。 文献【3 6 】给出了三种填料型式下的传热传质的数学模型。对平行平板垂直通道 内沿液膜不同高度的温度分布，用实验和建立在s i m p l e 程序基础上的数值方法分 别进行了研究。文献 3 7 】以双曲线逆流式自然通风冷却塔为典型的研究对象，对塔 内的流场和温度场进行了数值模拟，在热态模型的基础上，建立了相应的冷却塔内 5 华北电力大学硕士学位论文 气、水流动问题、热质交换问题的数学模型和物理模型。计算采用的是非正交曲线 坐标网格，用有限体积法构造差分计算格式，运用s i m p l e 方法对冷却塔流场及温 度场进行数值模拟。 目前，应用商业数值软件研究冷却塔的性能，在国外己有一定的研究成果， r a 1 w a k e d 、m b e h n i a 和n w i l l i a m s o n 等【3 3 - 4 4 在这方面做了比较多的工作。在国内， 针对空冷塔内外流场的全面模拟也已经起步。文献【4 5 】和【4 6 】以国内某电厂的海勒式 干式空冷塔为例，就侧风对冷却塔性能的影响进行了实地计算。计算中用到了 p h o e n i c s 程序，流场的计算采用了s i m p l e 算法 山东大学的朱宪然、刘明和陈友良1 4 7 - 4 9 】等对湿冷塔的运行热力工况和空气动力 场进行了数值模研究；赵元宾研究了雨区加十字墙对侧风和风场的影响【5 0 】。 1 4 本文的研究工作 随着对冷却塔研究的不断深入，国内外学者对于冷却塔内的传热传质过程有了 较深的研究，并建立了不同类型的数学模型，对冷却塔的运行情况已经能进行较精 确的、符合实际情况的模拟。 对于新塔的优化设计和旧塔的优化改造，众多专家学者也己经提出了许多行之 有效的措施和方案，例如通过对填料以及对配水系统的合理优化布置，改变水和空 气的流动状态，改变它们之间的传热传质特性，从而提高冷却塔的冷却性能。到目 前为止，通过加挡风墙对进入冷却塔的空气流场的优化研究还不多，仅有雨区加十 字挡风墙的研究，还有较大的研究空间。 本文主要的工作：( 1 ) 建立的较精确的三维数值模型，符合1 0 0 0 m w 火电机组 配套的冷却塔的实际热力性能；( 2 ) 在雨区外围加装竖直的空气导流板，增加塔内中 心区域的空气扰动，同时结合分区配水，降低塔内中心区域空气温度高、湿度大， 换热效果不好的影响；( 3 ) 考虑加装水平向上的空气导流板，增加空气的上升速度以 加强换热。分别模拟计算不同安装模式、安装角度、安装间距的情况，从而得出最 佳优化方案；( 4 ) 考虑实际生产中若干座冷却塔布置的情况，分别模拟了四座冷却塔 成一字型和正四边形排列时的空气动力场情况。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章c f d 软件简介 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行求解分析。 c f d 基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度 场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量的集合来代替，通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组以获得 场变量的近似值。由于数值模拟相对于实验研究具有成本低、周期短、获得数据完 整等特点，能模拟出实际运动过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或 实验室应用起到重要指导作用，所以c f d 技术得到了越来越多应用，这促进了商业 计算流体力学软件的发展。 f l u e n t 是c f d 软件中较成熟，也是使用最广泛的软件。f l u e n t 软件拥有多 种优化物理模型，如定常和非定常流、层流( 包括各种非牛顿流模型) 、紊流( 包括先 进的紊流模型) 、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等，并设置了外接用户端 口( u d f ) 。与传统的c f d 软件相比，f l u e n t 具有稳定性好、适用范围广、精度高和 拓展性好等优点。因此本文选用f l u e n t 作为冷却塔数值模拟平台。 2 1f l u e n t 程序的结构 毛。 f l u e n t 软件包括以下几个软件，其关系见如图2 1 所示： g a u t 设置几何形状生 成2 d 或3 d 网格 几何 2 d 或3 d 网格 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 图2 1 基本程序结构示意图 7 ( 或) 体网 华北电力大学硕士学位论文 ( ) f l u e n t 求解器f l u e n t 软件的核心，所有计算在此完成； ( 2 ) p r e p d f f l u e n t 用p d f 模型计算燃烧过程的预处理软件； ( 3 ) g a m b i 卜f l i j e n t 提供的网格生成软件； ( 4 ) t g r i d f l u e n t 用于从表面网格生成空间网格的软件； ( 5 ) 过滤器或者叫翻译器，可以将其他c a d c a e 软件生成的网格文件变成 被f l u e n t 识别的网格文件。 2g a m bit 生成网格 2 1 网格的类型 流场数值计算采用的网格类型主要有两种：结构网格和非结构网格。结构网格 的最大特点在于网格有规律，具有结构简单，构造方便，容易计算，占内存小等优 点；缺点是对复杂几何形状的适应能力差。非结构网格舍去了网格节点的结构性限 制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能 力强，但其无规则性也导致了在模拟计算中存储空间增大，寻址时间增长，计算效 率低于结构化网格，计算时间长等缺点。 在f l u e n t 软件中，网格有多种形状，对于二维流动，可以生成三角形和四 边形网格或混合单元组成的网格：对于三维流动，可以生成四面体、六面体、金字 塔以及楔形网格，或者两种网格单元的混合。f l u e n t 软件具有网格自适应功能， 对网格能够进行细分或粗化，并能生成不连续网格、变形网格和滑动网格。 2 2 2 网格的选择 网格的选择对于c f d 计算一直是关键的问题，它对于计算问题的精度和稳定 性都有重要的影响。在选择网格类型时需要考虑下面三方面：( 1 ) 初始化的时间：在 处理具有复杂几何外形的问题时采用结构网格或块结构网格可能要花费大量的时间， 甚至根本无法得到结构网格。而在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格能有 效的简化问题；( 2 ) 计算花费：当几何外形较复杂时，三角形网格和四面体网格所生 成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。如果是相对简单 的几何外形，而且流动和几何外形很符合，就可以使用大比率的四边形和六边形单 元。这种网格可能会比三角形四面体网格少很多单元；( 3 ) 数值耗散：多维条件下主 要的误差来源就是数值耗散。使用三角形或四面体网格流动永远不会和网格成一条 直线，而如果几何外形不是很复杂时，四边形网格和六面体网格可能就会实现流动 和网格成一条线。只有在简单的流动中才可以使用四边形和六面体网格来减少数值 耗散。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3f l u e n t 求解器的选择 在建立模型、划分网格之后，便可利用f l u e n t 求解器进行计算。一般来说，有以 下步骤： ( 1 ) 读入网格 ( 2 ) 检查网格 检查过程中，可以在控制台窗口中看到区域范围，体积统计以及连通性信息。其中 最容易出现的问题是网格体积为负数。如果最小网格体积为负数则需要修复网格以减少 解域的非物理离散。 ( 3 ) 选择解的格式 f l u e n t 提供了两种数值解法：单精度和双精度解法。双精度解法又包括耦合隐 式求解和耦合显示求解两种。它们都可用于广泛的流体计算，但一般情况下，单精度求 解适用于不可压及微可压流，且只使用隐式格式。双精度解法适用于高速可压流、有强 体积力的耦合流以及密网格问题。耦合求解流动和能量方程，可以快速收敛。但隐式求 解时内存需要量大，如果内存不够可以使用显式格式，同样也是耦合求解流动和能量方 程，只是收敛速度较慢。 2 4 离散相模型 离散相模型是f l u e n t 中一个求解两相流的模型，其中一相作为主要相( 连续 相) ，利用欧拉法求解；另一相被当做分散在主要相中的分散相( 离散相) ，采用拉格 朗日法求解。 除了求解连续相的输运方程，f l u e n t 也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的 第二相。由球形颗粒( 代表液滴或气泡) 构成的第二相分布在连续相中，f l u e n t 可 以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量质量传递。相间耦合以及耦合结果 对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。 f l u e n t 提供的离散相模型选择如下： ( 1 ) 对稳态与非稳态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力。 预报连续相的湍流涡旋作用对颗粒造成的影响； ( 2 ) 离散相的加热冷却； ( 3 ) 液滴的蒸发与沸腾； ( 4 ) 颗粒燃烧模型，包括挥发份析出及焦炭燃烧模型( 因而可以模拟煤粉燃烧) ； ( 5 ) 连续相与离散相间的耦合： ( 6 ) 液滴的迸裂与合并。 应用这些模型，f l u e n t 可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与 9 华北电力大学硕士学位论文 分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉 燃烧等。 离散相模型的适用范围：f l u e n t 中的离散相模型假定第二相( 分散相) 非常稀 薄，因而颗粒一颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。 这种假定意味着分散相的体积分数很低，一般要小于1 0 1 2 。但颗粒质量承载率 可以大于1 0 1 2 ，即用户可以模拟分散相质量流率等于或大于连续相的流动。 在两相藕合模拟中，离散相计算步骤： ( 1 ) 求解连续相流场( 在引入离散相之前) ； ( 2 ) 引入离散相，对注入的每个离散相计算粒子轨迹； ( 3 ) 使用前一步粒子计算确定的相之间的动量交换、传热传质，重新计算连续 相流场； ( 4 ) 在修正的连续相流场中，重新计算离散相轨迹； ( 5 ) 重复前面的两步直到获得一个收敛的解，这时，连续相流场和离散相粒子轨 迹在后续计算中不再变化。 2 5 湍流模型 湍流一般出现在速度有变动的地方，这种波动使得流体介质之间出现动量、能 量和浓度变化。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中直接 模拟的话对计算机的要求会很高。f l u e n t 软件提供了多种研究湍流的方法： s p a l a r t a l l m a r a s 模型，鬈一占模型( 包括标准鬈一占模型，r n gr 一占模型，带旋流修 正的鬈一占模型) ，j r t o 模型( 包括标准k t o 模型，压力修正r 一彩模型，雷诺兹压力 模型，大漩涡模拟模型) 。s a 湍流模型是相对简单的单方程模型，在这几种模型中 的计算量最小。当网格划分的不是很好时，或者不需要精确的湍流计算时，选择这 种模型较好。目前该模型对于航空流体机械的数值模拟，以及墙壁束缚流动有很好 的效果，但它并不适合于所有复杂的工程流体。r 一彩模型可以应用于墙壁束缚流动 和自由剪切流动较多。 湍流模型中的鬈一s 模型，其中，标准r g 模型是工程流场计算中主要的工具， 适用范围广，精度经济合理，使得它在工业流场和热交换模拟中有非常广泛的应用； r n g x 一占模型考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度，主要用于旋转坐标系下 的流动问题；带旋流修正的r g 模型对于平板和圆柱射流的发散比率有更精确的预 测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的 表现。 本文计算所采用的湍流模型是标准r g 双方程模型。标准k s 模型是个半经验 公式，主要是基于湍流动能和扩散率。石方程是个精确方程，占方程是个由经验公 1 0 华北电力大学硕士学位论文 式导出的方程。鬈一占模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。因而， 标准r 一占模型只对完全是湍流的流场有效。 湍流动能k 方程和扩散方程占： 昙( 鲫丢( 盹) 2 考+ 丝) c r , 知o x j q + g 6 _ 胪小瓯( 2 - 1 ) 湍流动能耗散率g 方程： 昙( 胪) + 毒( 觥) = 考眦+ 丝c r , ) 罢o x j 】+ g i 。妻( q + g g ) - c 2 f p 譬+ 疋 ( 2 - 2 ) 方程从左到右五项分别为：非稳态项、对流项、扩散项、产生项、消失项。方 程中q 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，q 是由浮力产生的湍流动能，匕是 由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，q 、g 、g 是常量，吒，哝是k 方 程和g 方程的湍流p r a n d t l 数，s k * a 疋是用户定义的量。 湍流速度鸬由下式确定： 鸬= 呜譬 其中q 为模型常量，q 。= 1 4 4 ，c 2 掌= 1 9 2 ，q = o 0 9 ，吼= 1 0 , o - = 1 3 。 2 6slm p l e 算法 ( 2 - 3 ) s i m p l e 算法是目前应用最为广泛的一种流场计算方法，是由p a t a n k e r 和 s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，它属于压力修正法的一种。传统意义上的s i m p l e 算 法是基于交错网络的，所谓交错网络，是指将速度分量与压力在不同的网格系统上 离散。本文的数值计算采用s i m p l e 算法，来求解冷却塔中的传热传质的过程。 基于压力修正法的s i m p l e 算法，其基本思想是：首先使用一个猜测的压力场 来解动量方程，得到速度场，接着求解通过连续方程所建立的压力修正方程，得到 压力场的修正值，然后利用压力修正值更新速度场和压力场，最后检查结果是否收 敛，若不收敛，以得到的压力场作为新的压力场，重复此过程直到收敛为止。其计 算步骤如下： ( 1 ) 假定一个速度分布( 上次迭代的速度场) u 0 ，以此计算动量离散方程中的系数 1 1 华北电力大学硕士学位论文 及常数项； ( 2 ) 由假定压力场( 上次迭代的压力场) p ，根据动量方程预估速度场“； ( 3 ) 根据压力修正方程得出离散单元的压力修正值p ； ( 4 ) 根据压力修正值计算离散单元的修正速度场“- ； ( 5 ) 收敛判断，结束或再次迭代直至获得收敛的解。 2 7 亚松弛格式 亚松弛就是在迭代计算中，将本层次计算结果与上一层次结果的差值作适当减 缩，以避免由于差值过大而引起非线形迭代过程的发散。分离求解器使用亚松驰来 控制每一步迭代中的计算变量的更新。使用分离求解器解的方程，包括耦合求解器 所解的非耦合方程( 湍流和其他标量) 都会有一个相关的亚松驰因子。 松弛因子的大小直接关系到迭代的稳定性，不好的亚松弛系数有时会导致计算 时间太长，甚至不收敛，使计算失败。亚松弛系数基本的范围是0 3 0 8 ，而系统 默认的亚松驰因子都是对大多数问题的最优值。这个值适合于很多问题，但是对于 一些特殊的非线性问题，在计算开始时要慎重减小亚松驰因子。在最优工况附近时， 取大值，而在偏离最优工况时，取小值。松弛因子的设定一般靠经验，往往需要反 复修改试算。起初取较大的值，如果不收敛，就选相对较小的值。但不可太小，因 为会延长计算时间。一般说来，降低松弛因子可以帮助收敛。 由于本论文中的控制方程是强耦合的非线形方程组，因而对压力修正方程、动 量方程、能量方程等都采用亚松弛格式。对压力修正方程采用0 3 的松弛因子，对 动量方程和能量方程都采用0 7 的松弛因子，以此来保证计算的收敛。相间的动量、 热量和质量交换是按亚松弛格式计算的，目的是通过逐渐改变离散相的影响提高耦 合计算的稳定性。 2 8 用户自定义函数( u d f ) 用户自定义函数可以拓展f l u e n t 程序的计算功能。它用c 语言书写，有两 种执行方式：i n t e r p r e t e d 型和c o m p i l e d 型。i n t e r p r e t e d 型比较容易使用，可是有c 语言代码使用范围和运行速度方面的限制。c o m p i l e d 型运行速度快，而且也没有代 码使用范围的限制，但使用略为繁琐。 标准的f l u e n t 模型并不能满足每个用户的需要，通过u d f 可以满足用户的 特殊需要。其功能如下：( 1 ) 边界条件茁一g ：( 2 ) 源项物性定义( 除了比热外) ；( 3 ) 表 面和体积反应速率；( 4 ) 用户自定义标量输运方程；( 5 ) 离散相模型( 例如体积力，曳 力，源项等) ；( 6 ) 代数滑流( a l g e b r a i cs l i p ) ；( 7 ) 混合物模型( 滑流速度和微粒尺寸) ； ( 8 ) 变量初始化；( 9 ) 壁面热流量；( 1 0 ) 用户自定义标量后处理；( 1 1 ) 自定义源项。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章冷却塔数值模型 根据冷却塔的结构特征、工作原理以及f l u e n t 的相关模型特点，本文在淋 水区和雨区采用离散相模型；而对于填料区，由于其结构特殊性和水膜流动的复杂 性，要按实际物理结构建立几何模型并模拟其流场是非常困难的，因此，填料区对 气水流场的影响被当做自定义源项处理。以下介绍冷却塔各区的传热传质数学模型 以及塔内阻力模型。 3 1 离散相模型 3 1 1 连续相( 湿空气) 控制方程 当机组定工况运行，且环境因素不变时，冷却塔也将在稳定工况下运行，所以 采用欧拉法来求解离散相中连续相，其内外流场可以当作稳态计算。连续相( 气相) 的控制方程如下： 连续性方程： v ( 以) = 最 式中p 一一湿空气密度，k g m 3 吩速度矢量 瓯水滴蒸发的质量汇，在耦合计算时它被当作质量源添加到气相。 动量守恒方程： 考c 腭，一詈+ 鼍+ 服+ 互 式中p 静压，p a 勺应力张量 服f 向重力体积力 互f 向外部体积力 应力张量： ( 3 - i ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 岛 一 七饥瓦 2 3 1j 一、， 批瓦n + 钆一 ，。，l 。l = 乃 华北电力大学硕士学位论文 在冷却过程中，由于冷却塔中的循环水和空气存在气液间的传热传质，所以流 模拟计算时包括能量方程和组分输运方程在内。 能量方程： 丢 以( 肛+ p ) = 云( 詈+ 嘞，吩一军鸟) + 瓯 c 3 川 中有效传导系数 以组分，的扩散流量 瓯辐射换热源项，在湿冷塔模型中，此项相对很小，可以忽略。 组分方程： 式中嘲第，种组分的质量分数 f ，组分，的交换系数 冠组分，的生成速率 3 1 2 离散相( 水滴) 控制方程 f l u e n t 离散相模型可以在拉格朗日坐标系中计算水滴的轨迹以及水滴的动 量、质量和能量传递。 ( 1 ) 水滴轨迹计算 基于拉格朗日坐标系的水滴速度与轨迹的运动方程如下： 式中名水滴轨迹 “，水滴的瞬时速度，m s f 。时间，s 吃 苫刮， ( 3 - 6 ) 水滴在曳力，浮力和其他作用力及水滴的惯性平衡下保持着力的平衡。水滴的 轨迹通过在拉格朗日坐标系下的对水滴作用力微分方程进行积分求解。其平衡方程 1 4 如下： 幽p _ ：一= d t 式中“连续相速度，m s 岛颗粒的密度，k g m 3 磷颗粒直径，m r r 相对雷诺数 式中方程右边前三项分别表示曳力，浮力和其他作用力。 昂可表示为： 相对雷诺数可表示为： 昂2 考等 曳力力系数c d 用下式表示： c d = q + 惫+ 熹 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 其中，口：，口，为常数，根据光滑球形颗粒实验结果给出。 ( 2 ) 水滴传热、传质计算 在湿冷塔的淋水区和雨区，循环冷却水以水滴型式自由下落，可以通过拉格朗 日法计算其轨迹流场，并可以耦合计算水滴与气相的热质交换。水滴的温度变化表 示如下： 鲁= ”( 乙椰+ 百d m p ( 3 - 1 1 ) 式中制单元内气相干球温度，k 1 5 华北电力大学硕士学位论文 乃水滴温度，k 4 水滴表面积，m 2 虬水滴质量，k g 水滴的蒸发速率： 1 d m f p = k 4 ( e q ) m 。 式中e 水滴表面蒸汽摩尔溶度，k g m o l m 3 g 湿空气中蒸汽摩尔溶度，k g m o l m 3 肘。水的摩尔质量，k g m o l 吒传质系数，k g m 2 s i i 传热系数，w m 2 k 传质、