柯世堂，余 瑋

(南京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，南京 210016)

Keywords:indirect air-cooled tower;numerical simulation;wind-thermal coupling effect;inner ring beams;internal pressure coefficient

冷卻塔是以承受風(fēng)荷載為主的高聳空間薄殼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)日益大型化發(fā)展使得特大型冷卻塔在強(qiáng)風(fēng)作用下的安全穩(wěn)定性受到工程界的高度重視[1-2]。實(shí)際工程中常采用適當(dāng)方法[3]從而解決冷卻塔大型化趨勢(shì)發(fā)展帶來(lái)的抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題，已有研究[4]表明內(nèi)環(huán)梁可有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度和靜風(fēng)穩(wěn)定性。

冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范[5-6]中穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)入了內(nèi)吸力的影響，同時(shí)給出了內(nèi)壓系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值。內(nèi)壓的計(jì)入使得冷卻塔結(jié)構(gòu)環(huán)向受壓從而導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)降低，為保證冷卻塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，冷卻塔抗風(fēng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮內(nèi)壓的影響。針對(duì)冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，其中Ke等[7]總結(jié)歸納了大型間接空冷塔百葉窗透風(fēng)率對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的影響規(guī)律，研究表明隨著透風(fēng)率的增加內(nèi)壓系數(shù)減?。秽u云峰等[8]基于剛體測(cè)壓試驗(yàn)分析了考慮十字擋板與否冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓的三維效應(yīng)，研究表明內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿高度和環(huán)向均勻分布；沈國(guó)輝等[9]采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型和多相流模型模擬了基于自然通風(fēng)原來(lái)形成的冷熱空氣自循環(huán)系統(tǒng)及外風(fēng)場(chǎng)作用下的冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)荷載，計(jì)算得出外風(fēng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生的內(nèi)壓隨高度和緯度變化明顯；董國(guó)朝等[10]實(shí)現(xiàn)了具有十字擋板、填料等內(nèi)部構(gòu)件對(duì)超大型冷卻塔內(nèi)表面平均風(fēng)荷載的模擬，結(jié)果表明內(nèi)部構(gòu)件的整流作用使得內(nèi)壓絕對(duì)值減小。自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔主要存在十字擋板、填料層等內(nèi)部構(gòu)件影響塔內(nèi)流場(chǎng)分布，然而間接空冷塔采用自然通風(fēng)干式冷卻，其內(nèi)部空曠同時(shí)周?chē)鷺?shù)立密集的百葉窗散熱器，已有研究進(jìn)行了不同透風(fēng)率和展寬平臺(tái)對(duì)冷卻塔內(nèi)表面壓力取值的影響，考慮到加環(huán)冷卻塔作為冷卻塔未來(lái)發(fā)展的可能趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于考慮運(yùn)營(yíng)狀態(tài)周邊散熱器的熱源作用下內(nèi)環(huán)梁對(duì)間接空冷塔內(nèi)壓取值的影響研究基本空白。

鑒于此，本文以國(guó)內(nèi)在建世界最高220 m特大型雙曲線自然通風(fēng)間接空冷塔為例，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)考慮風(fēng)熱耦合作用下內(nèi)設(shè)三道水平環(huán)梁的塔筒內(nèi)表面風(fēng)荷載進(jìn)行研究。探討了內(nèi)環(huán)梁設(shè)置前后冷卻塔內(nèi)表面平均風(fēng)壓分布特性，提煉出了內(nèi)環(huán)梁對(duì)冷卻塔內(nèi)壓取值的影響規(guī)律；并從機(jī)理上對(duì)比分析了塔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的差異，同時(shí)比較了內(nèi)環(huán)梁對(duì)溫度場(chǎng)特性的影響，最后給出了風(fēng)熱耦合作用下加環(huán)冷卻塔的內(nèi)壓取值建議。

1 工程概況

本工程在建特大型雙曲線自然通風(fēng)間接空冷塔總塔高為220 m，喉部標(biāo)高165 m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高30.75 m，塔頂中面直徑128.1 m，喉部中面直徑123 m，底部直徑為185 m。塔筒采用64對(duì)X型支柱支撐并與環(huán)板基礎(chǔ)連接，X型柱采用矩形截面，截面尺寸為1.7 m×1.0 m，環(huán)板基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬為10.5 m，高為2.2 m。為研究?jī)?nèi)環(huán)梁對(duì)于內(nèi)壓的影響，間冷塔采用常規(guī)冷卻塔和加環(huán)冷卻塔兩種設(shè)計(jì)方案，其中加環(huán)冷卻塔塔筒喉部以下共設(shè)置三道水平內(nèi)環(huán)梁，分別設(shè)置在72.75 m，94.80 m以及139.43 m，沿高度方向內(nèi)環(huán)梁均厚0.4 m，沿半徑方向兩道內(nèi)環(huán)梁尺寸分別為0.71 m，0.72 m和0.74 m。該工程冷卻塔兩種設(shè)計(jì)方案的三維模型，如圖1所示。

圖1 常規(guī)塔與加環(huán)塔三維模型示意圖Fig.1 The model of regular cooling tower and cooling tower with rings

間接空冷塔采用混合式凝汽器進(jìn)行工作，其空間薄殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一個(gè)具有多結(jié)構(gòu)部件的復(fù)雜系統(tǒng)[11-12]，由于運(yùn)行狀態(tài)下的冷卻塔存在空冷散熱器和循環(huán)水的熱量交換，故計(jì)入溫度場(chǎng)對(duì)冷卻塔內(nèi)壓取值的影響，因此根據(jù)散熱面積等效原則，將周邊設(shè)置的復(fù)雜散熱器等效成具有熱源的長(zhǎng)方體單元。為研究風(fēng)熱耦合作用下內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置對(duì)冷卻塔內(nèi)壓的影響，本文共設(shè)置四個(gè)計(jì)算工況如表1所示。

表1 內(nèi)壓計(jì)算工況列表Tab.1 Calculating conditions of internal pressure

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型塔高H=220 m，塔底直徑D=185 m，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下按30%透風(fēng)率考慮散熱器百葉窗開(kāi)啟效應(yīng)。計(jì)算域尺寸為順風(fēng)向X=20D，橫風(fēng)向Y=16D，高度方向Z=4H，滿足阻塞率小于5%的要求。為兼顧計(jì)算精度和效率，采用混合網(wǎng)格離散形式將整個(gè)計(jì)算域分割成規(guī)則的外圍區(qū)域和復(fù)雜的核心區(qū)域，復(fù)雜核心區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，為精確捕捉流體在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的流動(dòng)換熱特征，對(duì)冷卻塔周?chē)植烤W(wǎng)格進(jìn)行加密；規(guī)則外圍部分采用高質(zhì)量六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量達(dá)到1 200萬(wàn)。計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

圖3給出了計(jì)算域邊界條件，定義進(jìn)口邊界條件為速度入口，按照B類地貌對(duì)應(yīng)的速度和湍流強(qiáng)度分布形式，其中冷卻塔所在地區(qū)10 m高度處50年重現(xiàn)期10 min最大平均風(fēng)速為28.3 m/s，地面粗糙度系數(shù)為0.15，10 m高名義湍流度取為0.14。通過(guò)用戶自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)上述入流邊界條件與FLUENT的連接(見(jiàn)圖4)。定義出口邊界條件為壓力出口，相對(duì)壓力為0。計(jì)算域地面以及冷卻塔表面采用無(wú)滑移壁面，計(jì)算域兩側(cè)面和頂面采用對(duì)稱邊界條件，等價(jià)于自由滑移壁面。

圖2 冷卻塔數(shù)值模擬計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Mesh generation of numerical simulation calculation domain classification

圖3 計(jì)算域邊界條件示意圖Fig.3 Boundary conditions of computational domain

圖4 速度及湍流度剖面示意圖Fig.4 Velocity and turbulence profile sketch

數(shù)值計(jì)算采用3D單精度、分離式求解器，k-ε的RNG湍流模型，壓力速度耦合方程組求解采用SIMPLE格式。梯度離散選用Least Squares Cell Based格式，壓力離散采用standard格式，動(dòng)力離散采用二階迎風(fēng)格式格式，控制方程的計(jì)算殘差設(shè)置為10-6。

2.3 考慮自然對(duì)流及對(duì)流換熱的影響

大型間接空冷系統(tǒng)皆采用自然通風(fēng)干式冷卻，主要依靠自然對(duì)流產(chǎn)生的浮升力作用驅(qū)動(dòng)冷卻空氣流動(dòng)[13]，因此數(shù)值模擬過(guò)程中必須考慮自然對(duì)流引起的浮升力影響。當(dāng)流體進(jìn)行傳熱時(shí)，流體密度因溫度的變化而產(chǎn)生變化，密度變化加上重力作用可產(chǎn)生自然對(duì)流。可用格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)之比來(lái)度量浮力在混合對(duì)流中的作用

(1)

當(dāng)此數(shù)值接近或者超過(guò)1.0時(shí)，浮力對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生的影響不可忽略。在純粹的自然對(duì)流中，浮力誘導(dǎo)流動(dòng)由瑞利數(shù)度量

Ra=gβΔTL3ρ/μα

(2)

(3)

(4)

式中：β為熱膨脹系數(shù)；α為熱擴(kuò)散率系數(shù)。瑞利數(shù)大于108表明浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流是層流。本文中格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)之比大于1.0，且瑞利數(shù)大于108。故激活能量方程，計(jì)入重力作用，并將氣體密度設(shè)置為不可壓縮力學(xué)氣體即可正確模擬自然對(duì)流問(wèn)題。間接空冷系統(tǒng)散熱器等效置百葉窗內(nèi)的熱源，流動(dòng)的計(jì)算考慮對(duì)流傳熱效應(yīng)[14-15]，定義熱源熱邊界條件為對(duì)流熱傳導(dǎo)，溫度設(shè)為恒溫80 ℃(353 K)，環(huán)境溫度采用15 ℃(288 K)。

2.4 有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性，數(shù)值模擬中冷卻塔外表面平均風(fēng)壓與規(guī)范風(fēng)壓對(duì)比的曲線，如圖5所示。由圖5可知，數(shù)值模擬中的外表面平均風(fēng)壓曲線與規(guī)范曲線分布規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬得到的負(fù)壓極值點(diǎn)和分離點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度和規(guī)范一致，迎風(fēng)面數(shù)值與規(guī)范基本吻合，僅負(fù)壓極值略大于規(guī)范值，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了本文基于雷諾平均法得到的數(shù)值結(jié)果的有效性。

圖5 數(shù)值模擬平均風(fēng)壓與規(guī)范風(fēng)壓曲線對(duì)比圖Fig.5 The average wind pressure of numerical simulation compared with standard

3 內(nèi)壓取值分析

3.1 內(nèi)環(huán)梁對(duì)內(nèi)壓分布影響

不同工況下冷卻塔典型截面內(nèi)壓系數(shù)沿環(huán)向分布曲線，如圖6所示。由圖可知，內(nèi)表面風(fēng)壓沿環(huán)向和子午向并非完全均勻分布，尤其是在背風(fēng)面(120°～ 200°)出現(xiàn)負(fù)壓極值區(qū)，喉部位置不同工況下內(nèi)壓系數(shù)沿環(huán)向分布規(guī)律完全一致且基本上保持均勻分布。由于內(nèi)環(huán)梁在一定程度上改變了塔內(nèi)流場(chǎng)，內(nèi)環(huán)梁設(shè)置高度處不同工況下內(nèi)壓分布產(chǎn)生了差異且沿環(huán)向出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。不考慮溫度場(chǎng)時(shí)內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置使得內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值增大，但在加環(huán)位置背風(fēng)面區(qū)域則出現(xiàn)內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值減小的現(xiàn)象；考慮溫度場(chǎng)作用后內(nèi)環(huán)梁使得內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值減小。

為進(jìn)一步分析冷卻塔內(nèi)壓系數(shù)分布的不均勻性，表2給出了不同工況下冷卻塔典型斷面內(nèi)壓系數(shù)極值和極大與極小值的差值，由表可以看出四種計(jì)算工況下不同截面位置內(nèi)壓分布區(qū)間存在差異，不同工況下第一、第二、第三道內(nèi)環(huán)梁位置以及喉部位置處內(nèi)壓系數(shù)分布區(qū)間分別在-0.47～-0.32，-0.43～-0.32，-0.39～-0.30，-0.36～-0.31。加環(huán)塔內(nèi)環(huán)梁高度處內(nèi)壓系數(shù)極大與極小值的差值明顯大于未設(shè)置內(nèi)環(huán)梁工況下，而喉部位置處內(nèi)壓系數(shù)的差值約減小為未設(shè)置內(nèi)環(huán)梁工況下的1/2。綜上可知未設(shè)置內(nèi)環(huán)梁工況下內(nèi)壓沿環(huán)向基本呈現(xiàn)均勻分布，其波動(dòng)范圍均在0.08以內(nèi)，而加環(huán)塔內(nèi)環(huán)梁位置內(nèi)壓系數(shù)在背風(fēng)面120°～200°出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，此時(shí)內(nèi)壓極值相差最大約為0.14。

圖6 不同工況下冷卻塔典型截面內(nèi)壓系數(shù)分布曲線Fig.6 Internal pressure coefficients of typical sections of cooling towers under different conditions

3.2 內(nèi)環(huán)梁對(duì)內(nèi)壓取值影響

圖7給出了不同工況下冷卻塔內(nèi)壓系數(shù)和阻力系數(shù)沿高度分布曲線。由圖可知內(nèi)壓系數(shù)沿高度方向非均勻分布，而是呈現(xiàn)出隨著高度的增加內(nèi)壓系數(shù)均值減小的趨勢(shì)。不考慮溫度作用下加環(huán)塔層內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值大于常規(guī)塔，考慮溫度作用下內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置使得層內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值減小，常規(guī)塔在不考慮溫度場(chǎng)下負(fù)壓極值為-0.51，考慮溫度場(chǎng)下負(fù)壓極值為-0.54，增設(shè)內(nèi)環(huán)梁后內(nèi)壓系數(shù)極值絕對(duì)值分別增大5.12%和減小2.37%。內(nèi)阻力系數(shù)相比較外表面阻力系數(shù)較小，沿高度內(nèi)阻力系數(shù)分布均在-0.05～0.05，且內(nèi)環(huán)梁對(duì)阻力系數(shù)的影響與內(nèi)壓系數(shù)相似，但考慮溫度場(chǎng)后內(nèi)環(huán)梁高度范圍內(nèi)內(nèi)阻力系數(shù)絕對(duì)值大于常規(guī)塔對(duì)應(yīng)數(shù)值。四種計(jì)算工況下冷卻塔內(nèi)壓系數(shù)整體取值分別為-0.41，-0.43，-0.44和-0.42，考慮溫度及內(nèi)環(huán)梁影響下冷卻塔內(nèi)壓取值范圍在-0.40～-0.45。

表2 不同工況下冷卻塔典型斷面內(nèi)壓系數(shù)極值列表Tab.2 Extremum internal pressure coefficients at typical sections of cooling towers under different conditions

圖7 不同工況下冷卻塔內(nèi)壓系數(shù)和阻力系數(shù)沿高度變化曲線Fig.7 Internal pressure and drag coefficients curve of cooling towers under different conditions

4 流動(dòng)機(jī)理分析

4.1 塔內(nèi)流場(chǎng)特性

為研究設(shè)置內(nèi)環(huán)梁后塔內(nèi)流動(dòng)的差異，冷卻塔內(nèi)外流場(chǎng)的速度流線圖，圖8所示。由圖8可知，不同工況下來(lái)流流經(jīng)塔筒均在迎風(fēng)面產(chǎn)生分流，沿塔筒兩側(cè)加速繞流至背風(fēng)面形成不同尺寸大小的渦旋；部分來(lái)流通過(guò)百葉窗開(kāi)啟位置進(jìn)入塔筒內(nèi)部，氣流在塔內(nèi)弧形表面附著流動(dòng)、撞擊并向塔頂方向流動(dòng)；塔頂出現(xiàn)明顯的三維效應(yīng)，來(lái)流從頂部掠過(guò)且與塔內(nèi)上升氣流相遇，此時(shí)帶動(dòng)塔內(nèi)頂部氣流的快速流動(dòng)，在塔頂背風(fēng)面區(qū)域形成大范圍渦旋脫落現(xiàn)象；由百葉窗進(jìn)入來(lái)流對(duì)塔筒內(nèi)壁背風(fēng)面的撞擊以及近地面三維繞流，在近地面背風(fēng)面形成大范圍渦旋。不考慮溫度場(chǎng)情況下，常規(guī)塔內(nèi)來(lái)流撞擊塔筒背風(fēng)面內(nèi)壁并向上爬升至塔頂位置，近迎風(fēng)面位置的上升氣流受到外部來(lái)流阻礙改變了流動(dòng)方向形成了回流，此時(shí)渦旋主要形成與喉部迎風(fēng)面位置；而加環(huán)塔喉部位置以下共設(shè)置了三道內(nèi)環(huán)梁，此時(shí)氣流沿塔筒背風(fēng)面內(nèi)壁向上爬升受到內(nèi)環(huán)梁一定程度地阻礙使得流動(dòng)方向發(fā)生改變，同時(shí)喉部位置頸縮加劇了阻礙作用，導(dǎo)致塔內(nèi)流動(dòng)混亂且在塔內(nèi)下部的中心位置形成了一個(gè)明顯的回流區(qū)域?？紤]溫度場(chǎng)時(shí)，常規(guī)塔內(nèi)來(lái)流撞擊背風(fēng)面速度顯著降低并形成了渦旋，此時(shí)塔內(nèi)流動(dòng)相比較于不考慮溫度時(shí)更為復(fù)雜；加環(huán)塔內(nèi)氣流在塔底呈現(xiàn)出一個(gè)三角回路，同時(shí)不斷有渦旋脫落并向上方迎風(fēng)面移動(dòng)，與迎風(fēng)面處氣流相互摻雜，此時(shí)塔內(nèi)流動(dòng)更加雜亂。

4.2 內(nèi)環(huán)梁流動(dòng)機(jī)理分析

塔內(nèi)氣流撞擊塔筒背風(fēng)區(qū)內(nèi)壁，氣流繞內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)并向上爬升，設(shè)置三道內(nèi)環(huán)梁后明顯塔內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生了變化。為進(jìn)一步分析內(nèi)環(huán)梁對(duì)塔內(nèi)壓力分布產(chǎn)生的影響，不同工況下冷卻塔三道內(nèi)環(huán)梁高度處速度流線圖，如圖9～圖11所示。

對(duì)比分析可知：①來(lái)流在冷卻塔迎風(fēng)面產(chǎn)生分離，沿塔筒外壁繞流且加速流經(jīng)塔筒兩側(cè)，在背風(fēng)面分離并形成不同尺度的渦旋脫落，由于雙曲線型冷卻塔在喉部位置的頸縮，三道內(nèi)環(huán)梁均設(shè)置與喉部以下，故隨著高度的增加塔筒兩側(cè)速度增益區(qū)加速流動(dòng)更加顯著；②第一道內(nèi)環(huán)梁高度處內(nèi)環(huán)梁改變塔內(nèi)流動(dòng)較小，均在側(cè)面及背風(fēng)區(qū)形成渦旋，渦旋之間相互作用改變了流動(dòng)作用在塔筒內(nèi)壁背風(fēng)區(qū)的位置，工況一、工況二和工況四下渦旋使得流動(dòng)方向傾斜，在190°～200°位置撞擊在內(nèi)壁，對(duì)應(yīng)該工況下負(fù)壓極值對(duì)應(yīng)位置，工況三下流動(dòng)方向變?yōu)?80°位置且對(duì)應(yīng)負(fù)壓極值；③第二道內(nèi)環(huán)梁高度處流動(dòng)改變較第一道內(nèi)環(huán)梁位置明顯，考慮溫度場(chǎng)作用后塔內(nèi)渦旋尺寸增大，不考慮溫度場(chǎng)作用下常規(guī)塔截面流動(dòng)主要形成三個(gè)主要的渦旋，而設(shè)置內(nèi)環(huán)梁后近迎風(fēng)面的渦旋向后移動(dòng)帶動(dòng)周?chē)鷼饬餍纬奢^大尺寸的渦旋，考慮溫度場(chǎng)作用下呈現(xiàn)出兩個(gè)渦旋，加環(huán)塔內(nèi)表面負(fù)壓極值均出現(xiàn)在背風(fēng)面180°位置；④第三道內(nèi)環(huán)梁高度處塔內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生顯著變化，同時(shí)塔外背風(fēng)面的流動(dòng)也明顯變化，不考慮溫度場(chǎng)時(shí)流動(dòng)受到三道內(nèi)環(huán)梁一定程度阻礙形成多個(gè)渦旋，考慮溫度場(chǎng)后渦旋朝著迎風(fēng)面移動(dòng)，塔內(nèi)背風(fēng)面主要沿筒壁附著流動(dòng)故該高度處背風(fēng)面未產(chǎn)生顯著增加的負(fù)壓極值。

圖8 不同工況下冷卻塔內(nèi)外流場(chǎng)速度流線圖Fig.8 Velocity streamlines of internal and external flow fields of cooling towers under different conditions

圖9 第一道環(huán)梁高度處X-Y橫截面速度流線圖Fig.9 Velocity streamlines at height of first ring beam on the X-Y cross-section

圖11 第三道環(huán)梁高度處X-Y橫截面速度流線圖Fig.11 Velocity streamlines at height of third ring beam height on the X-Y cross-section

4.3 溫度場(chǎng)特性

考慮溫度作用下常規(guī)塔和加環(huán)塔典型截面的溫度分布云圖，如圖12和圖13所示。由圖可知三道內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置明顯改變了溫度場(chǎng)分布，溫度均沿塔底至塔頂逐漸減小且減小程度產(chǎn)生了顯著差異。常規(guī)塔塔內(nèi)由于外風(fēng)場(chǎng)部分來(lái)流進(jìn)入百葉窗帶動(dòng)了塔內(nèi)熱氣流的流動(dòng)且熱量隨著氣流上升而逐漸耗散，迎風(fēng)面百葉窗內(nèi)溫度較低且在進(jìn)風(fēng)口位置出現(xiàn)溫度增值區(qū)域，在冷卻塔塔內(nèi)近背風(fēng)面位置處溫度較高；內(nèi)環(huán)梁對(duì)塔內(nèi)氣流產(chǎn)生了一定的阻礙作用，導(dǎo)致加環(huán)塔內(nèi)溫度出現(xiàn)明顯的降低，且溫度增值區(qū)域主要出現(xiàn)在喉部以下區(qū)域。同時(shí)在塔頂背風(fēng)面區(qū)域可以看出由于內(nèi)環(huán)梁設(shè)置導(dǎo)致塔頂大范圍區(qū)域降低。對(duì)比進(jìn)出風(fēng)口溫度分布，常規(guī)塔進(jìn)風(fēng)口位置溫度增大區(qū)域出現(xiàn)在冷卻塔側(cè)面靠后，而加環(huán)塔溫度較高區(qū)域主要出現(xiàn)在迎風(fēng)面，在出風(fēng)口位置加環(huán)塔溫度分布更加均勻。常規(guī)塔進(jìn)風(fēng)口截面溫度均值為305.6 K，而出風(fēng)口截面為304.9 K；加環(huán)塔進(jìn)風(fēng)口截面溫度均值為307.6 K，出風(fēng)口截面為305.3 K，說(shuō)明三道內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置在一定程度上阻礙了流動(dòng)及熱量的散失。

圖12 常規(guī)塔考慮溫度場(chǎng)作用下溫度分布圖Fig.12 Temperature distribution of conventional cooling towers under the wind-thermal effect

圖13 加環(huán)塔考慮溫度場(chǎng)作用下溫度分布圖Fig.13 Temperature distribution of cooling towers with rings under the wind-thermal effect

5 結(jié) 論

(1)本文采用等效熱源和耦合數(shù)值算法研究了風(fēng)熱耦合作用下冷卻塔內(nèi)壓分布及流場(chǎng)機(jī)理，且與已有規(guī)范和文獻(xiàn)吻合良好，研究結(jié)論驗(yàn)證了該方法對(duì)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下考慮周邊散熱器熱源影響冷卻塔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬的有效性。

(2)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中散熱器熱源的計(jì)入將使得冷卻塔內(nèi)表面承受風(fēng)荷載和溫度共同作用，三道內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置明顯改變了溫度場(chǎng)分布，使得加環(huán)塔內(nèi)溫度大范圍降低且進(jìn)、出風(fēng)口溫度明顯高于常規(guī)塔，內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置在一定程度上阻礙了流動(dòng)及熱量的散失，對(duì)冷卻塔內(nèi)部流動(dòng)存在不利影響。

(3)來(lái)流在塔筒迎風(fēng)面產(chǎn)生分流，流動(dòng)沿塔筒外壁附著流動(dòng)至背風(fēng)面形成尺寸大小不同的渦旋，部分來(lái)流通過(guò)百葉窗開(kāi)啟位置進(jìn)入塔筒內(nèi)部，氣流在塔內(nèi)弧形表面附著流動(dòng)、撞擊并向塔頂方向爬升，近壁面上升氣流受到內(nèi)環(huán)梁一定程度的阻礙使得流動(dòng)方向發(fā)生改變，此時(shí)塔內(nèi)氣流雜亂無(wú)章的撞擊，導(dǎo)致塔內(nèi)流動(dòng)較無(wú)內(nèi)環(huán)梁工況下流動(dòng)更加紊亂。

(4)不同工況下的內(nèi)壓分布分析表明冷卻塔內(nèi)表面風(fēng)壓并非完全沿子午向和環(huán)向均勻分布，尤其在內(nèi)環(huán)梁高度處，內(nèi)壓系數(shù)在背風(fēng)面120°～200°出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，此時(shí)內(nèi)壓極值相差最大約為0.14，考慮溫度及內(nèi)環(huán)梁影響下冷卻塔內(nèi)壓取值范圍為-0.40～-0.45。

(5)周邊散熱器熱源溫度對(duì)冷卻塔內(nèi)壓取值影響顯著：不考慮溫度作用下加環(huán)塔內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值大于常規(guī)塔，內(nèi)環(huán)梁使冷卻塔內(nèi)壓絕對(duì)值增大7.32%，考慮溫度作用下內(nèi)環(huán)梁的設(shè)置使得內(nèi)壓系數(shù)絕對(duì)值減小，內(nèi)環(huán)梁使冷卻塔內(nèi)壓絕對(duì)值減小2.33%，最終建議風(fēng)熱耦合作用下加環(huán)冷卻塔內(nèi)壓取值為-0.42。