自然通风逆流式冷却塔雨区阻力特性研究

1、自然通风逆流湿式冷却塔雨区阻力特性的试验研究赵顺安、王晓宇（中国水利水电科学研究，北京）摘要：大型立模拟试验装置，模拟真实冷却塔中的情况，测试雨区阻力性能，结合数值计算方法定量给出雨滴阻力当量直径随雨区高度的变化关系图，总结出雨区阻力系数的计算公式。通过对模拟试验与数值模拟计算结果的分析还表明：核电大型冷却塔单位长度雨区的阻力系数随雨区高度的增加而增大，随淋水密度的增加而增大，随断面风速的增加而减小。通过数值模拟的方法对自然通风冷却塔雨区阻力系数的公式进行修正后的计算公式风速适用范围可达0.82.0m/s。关键词：逆流式冷却塔，雨区，当量直径，阻力1 引言在冷却塔阻力计算中，雨区的阻力占到整塔

2、阻力的约40%1、2，雨区阻力的如何确定是冷却塔设计中的一个关键参数。由于雨滴在雨区运行的复杂性，雨区阻力还无法通过理论分析或数值模拟计算直接给出准确量值，相反雨区的数值模拟计算中还需要定雨滴的当量直径。雨区的阻力一直以来都是国内外冷却塔阻力研究的难点，一般通过模拟试验方法来研究雨区的阻力特性，确定雨滴的当量直径，然后通过数值模拟计算来确定不同条件下冷却塔的雨区的阻力。文献3通过雨区高度不大于6m的模拟试验，给出了雨区的阻力特性，并通过数值模拟计算总结出了冷却塔雨区阻力的计算公式，已经被设计采用4。随着冷却塔的规模的增大，雨区的高度也不断增高，与核电AP1000机组相匹配的冷却塔雨区高度已经达

3、到14m，文献3的试验结果将会出现较大的偏差或不再适用。本文在建立雨区模拟试验装置基础上，通过不同淋雨高度、淋水密度断面风速的试验，给出了雨区高度最大15m的淋雨阻力的试验结果，可供大型冷却塔设计和数值模拟计算参考。2 试验装置试验方法雨区阻力试验装置见图1，试验段尺寸为高度15m、宽度1m、深度8m，装置主要水循环系统和抽风系统组成，水循环系统通过水泵将水抽至配水槽中，配水槽可按深度2m、4m、6m和8m进行配水形成淋雨，风机通过变频器来改变淋雨区的断面风速。淋雨高度在15m高度范围内进行调节。试验时先固定一个淋水高度，对不同淋水密度改变试验断面的风速，测量试验断的气流阻力，单位长度的淋雨的

4、阻力系数按下式（1）计算。 （1）式中为淋雨阻力、淋雨深度、淋雨断面的平均水平风速、空气密度。图1 淋水雨区阻力模拟试验装置系统示意图3、试验资料整理 模拟装置内空气流场可简化为二维流动，如图2所示。稳定运行状态下，模拟装置内空气流动为定常流，空气为不可压缩。塔内空气流态为湍流状态。流动符合定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-双方程湍流模型进行方程封闭1。雨滴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2。计算中忽略由于风吹所造成的淋水倾斜（试验中观察由于风速造成的淋水倾斜很小），即只考虑雨滴方向上的运动，不考虑雨滴的水平向运动

5、。 2.4 边界条件 边界条件如下： 模拟装置出口风机出口给定、值；取值为0，由实测给出，、参照文献3给定，、；其中：当地大气压力，Pa；D通道宽度，m； 模拟装置口速度，m/s； 模拟装置进风口出口为第二类边界条件：； 壁面在壁面用光滑管边界层公式来给定壁相邻点的边界条件，参见文献2。3 试验结果分析3.1 不同雨区高度雨区阻力特性 对不同雨区高度、相同淋水密度、淋水深度和气水比下的单位长度雨区阻力系数试验结果进行分析，如图3(a)所示，该图给出了淋水密度为7t/(h.m2),淋水深度为4m，不同雨区高度对应工况下的单位长度雨区阻力系数变化曲线，由图可以看出，随着雨区高度增加，单位长度雨区阻

6、力系数也随之增加，这是因为雨区高度增大时，在同一气水比的条件下，不同淋水高度的单位长度的雨区水滴阻力虽然随淋水高度增大而减小，但是平均风速也减小，阻力系数与平均风速的平方成反比，阻力系数增大。计算结果也反映了该变化趋势。 图3(b)同时给出了计算结果与试验结果规律一致。图3(a)单位长度雨区阻力系数随雨区高度变化（试验结果）图3(b)单位长度雨区阻力系数随雨区高度变化（计算结果）3.2 不同淋水密度雨区阻力特性 对不同淋水密度，相同雨区高度、淋水深度和试验断风速下的单位长度雨区阻力系数进行分析，如图4(a)所示，该图给出了淋水高度为9.92m，淋水深度为8m，不同淋水密度对应工况下的单位长度雨

7、区阻力系数。由图可以看出，随着淋水密度的增加，雨区阻力系数也随之增加，这是因为淋水密度增大时，单位体积内水滴的个数也增加，阻力也随之增加。计算结果也反映了该变化趋势，如图4(b)所示。 图4(a) 单位长度雨区阻力系数随淋水密度变化（试验结果）图4(b) 单位长度雨区阻力系数随淋水密度变化（计算结果）3.3 不同试验断面风速雨区阻力特性 对不同试验断面风速下，相同雨区高度、淋水深度和淋水密度下的单位长度雨区阻力系数进行分析，如图5(a)所示，该图给出了淋水高度为9.92m，淋水深度为6m，淋水密度为7t/(h.m2)时不同工况下的单位长度雨区阻力系数，由图可以看出，随着不同试验断面风速的增加，

8、雨区阻力系数减小，这是因为不同试验断面风速，随着试验断面风速的增加，阻力也随之增加，由式（1-2）可知，阻力系数与试验断面风速平方成反比，因此阻力变化较风速平方变化慢，阻力系数减小。计算结果也反映了该变化趋势，如图5(b)所示。 图5(a) 单位长度雨区阻力系数随试验断风图5(b) 单位长度雨区阻力系数随试验断风速变化（计算结果）3.4 雨区阻力特性分析 对不同雨区高度的试验工况的试验结果与计算结果进行对比，图6(a)为淋水高度为5.3m、淋水深度4.0m和淋水密度13t/(h)特定工况条件下的单位长度雨区阻力系数随气水比变化试验结果，图中还给出了相同条件下，不同当量直径单位长度雨区阻力系数计

9、算结果。由图可以看出，相同工况下，单位长度的雨区阻力系数随当量直径的增大而减小，当雨滴当量直径为2.7mm时，单位长度的雨区阻力系数的计算结果与实测值符合较好。 雨区高度为5.3m的所有工况的测试结果与当量直径为2.7mm的计算结果进行对比，如图6(b)所示，计算结果与实测值符合较好。图6(a) 雨区高度为5.3m雨区阻力系数的计算结果与实测结果对比图6(b) 雨区高度为5.3m所有工况雨区阻力系数的计算结果与实测结果对比同理可对雨区高度为9.92m和14.6m的工况进行对比分析，如图7(a)和7(b)所示，当雨区高度为9.92m,雨滴当量直径取2.9mm，雨区高度为14.60m,雨滴当量直径

10、取3.0mm，各组合工况的计算结果与实测结果符合较好。可见，不同雨区高度单位长度的雨区阻力系数与不同雨滴当量直径的数值计算结果存在对应关系，雨区高度越大，雨滴当量直径越大。图7(a) 雨区高度为9.92m时不同工况阻力系数试验结果与计算结果对比图7(b) 雨区高度为14.60m时不同工况阻力系数试验结果与计算结果对比对上述结果进行总结，给出雨滴当量直径随不同雨区高度变化关系曲线，如图8所示，可以发现，随着雨区高度的增加，雨滴当量直径变大，但增加趋势变缓，这是因为随着雨区高度的增加，雨滴速度会增大，当雨区高度增大到一定程度时，雨滴的降落速度将不再变化，因此单位长度的雨区阻力系数也将不再变化，对应

11、的雨滴当量直径也会停止变化。 图8 雨滴当量直径与雨区高度变化关系3.4 雨区阻力系数计算公式讨论 修正后的阻力系数公式（1）与文献5中得出的阻力系数公式都是经验拟合公式，主要区别在于使用范围不同。图9(a)是公式（1）在进风口相对高度0.36，淋水密度7t/(h)条件下不同淋水面积的雨区阻力系数随风速的变化规律，随填料断面的风速增加，雨区阻力系数变小，变小的幅度也减小，由趋势看当风速大至一定值后，将不再变化，这是由于淋水的雨滴随高度的增大而增大，大至一定值后将不再增大，所以，阻力系数将趋不变。图9(b)是文献5中得出雨区阻力系数计算公式的计算规律，由图可看出，随填料断面风速增大雨区阻力系数单

12、值减小，并出现负值发生错误，不符合物理现象。原因在于公式得出时只用了两个风速，只能得出直线关系，超出其范围将出现偏差与错误。4 结论本文建立自然通风逆流湿式冷却塔雨区的模拟试验装置，对不同淋水条件（雨区高度、淋水深度、淋水密度以及断面风速）下的雨区阻力特性进行了模拟试验与数值模拟计算，给出了三个雨区高度下对应的不同的雨滴阻力当量直径，并由此推出了雨滴阻力当量直径随雨区高度的变化曲线图，该成果为核电大型冷却塔雨区阻力的数值模拟奠定了基础。同时总结出雨区阻力系数公式。模拟试验与数值模拟计算结果还表明：核电大型冷却塔单位长度雨区的阻力系数随雨区高度的增加而增大，随断面风速的增加而减小，随淋水密度的增加而增大。通过数值模拟的方法对自然通风冷却塔雨区阻力系数的公式进行修正后的计算公式风速适用范围可达0.82.0m/s。参 考 文 献：1赵顺安.海水冷却塔.中国水利水电出版社，2007.12赵振国.冷却塔.中国水利水电出版社，2001.93赵振国等. 逆流式自然通风冷却塔通风阻力的研究.水动力学研究与进展，1993年12期4中华人民共和国国家标准，GB/T50102-2003工业循环水冷却设计规范，计划出版社，2003年5赵顺安、廖内平、徐铭，逆流式自然通风冷却塔二维数值模拟优化设计，水利学报，2003（10）张兆