基于数值模拟的侧风对自然通风湿式冷却塔性能影响剖析.docxVIP

基于数值模拟的侧风对自然通风湿式冷却塔性能影响剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业生产中，自然通风湿式冷却塔作为关键的散热设备，广泛应用于电力、化工、冶金等诸多领域。以电力行业为例，冷却塔承担着冷却汽轮机排出乏汽的重要任务，对维持凝汽器的真空状态、提高机组的循环热效率起着不可或缺的作用。相关研究表明，凝汽器的背压与机组循环热效率紧密相关，而背压又与进入凝汽器的循环冷却水的温度密切相连，循环冷却水水温每下降1℃，中压机组以及高压机组的效率分别将提升0.47%和0.35%。在化工和冶金等行业，冷却塔同样保障着生产过程中设备的正常冷却，确保化学反应和工艺流程的稳定运行。

自然通风湿式冷却塔通过空气与热水之间的热质交换，实现热量的传递和散发，从而达到冷却的目的。在实际运行过程中，冷却塔不可避免地会受到外界环境因素的影响，其中侧风的作用尤为显著。侧风会改变冷却塔周围的空气流动状态，破坏冷却塔内部原本较为稳定的流场和温度场分布，进而对冷却塔的性能产生多方面的影响。当侧风存在时，冷却塔迎风面和背风面的空气流速和压力分布会出现明显差异，导致进风口处的空气流量和分布不均匀，影响冷却塔内部的通风效果。侧风还可能引发冷却塔内部的气流扰动，增加空气与热水之间的传热传质阻力，降低冷却塔的冷却效率。

侧风对自然通风湿式冷却塔性能的影响，会直接关系到工业生产的效率和成本。在电力行业，如果冷却塔的冷却效果不佳，凝汽器真空度下降，将导致汽轮机的输出功率降低，发电效率下降，同时增加燃料消耗，提高发电成本。据统计，由于冷却塔性能受侧风影响，某些火电厂的发电效率可能降低2%-5%，每年增加的燃料成本可达数百万元甚至更多。在化工和冶金等行业，生产设备的冷却效果不理想，可能会导致产品质量下降、生产流程中断，甚至引发安全事故，给企业带来巨大的经济损失。

研究侧风对自然通风湿式冷却塔性能的影响具有重要的现实意义。从优化冷却塔设计的角度来看，深入了解侧风作用下冷却塔的性能变化规律，可以为冷却塔的设计提供更为准确的理论依据。通过合理设计冷却塔的结构参数、进风口形状和位置、挡风设施等，可以有效降低侧风对冷却塔性能的不利影响，提高冷却塔的冷却效率和稳定性。在冷却塔的运行管理方面，掌握侧风与冷却塔性能之间的关系，能够为运行人员提供科学的操作指导，根据不同的侧风条件及时调整冷却塔的运行参数，如循环水流量、布水方式等，确保冷却塔始终处于最佳运行状态，从而实现节能减排的目标，促进工业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

自然通风湿式冷却塔作为工业领域中广泛应用的冷却设备，其性能研究一直是国内外学者关注的焦点。在早期的研究中，学者们主要侧重于冷却塔的基本传热传质理论和常规工况下的性能分析。Merkel提出的焓差法为冷却塔的热力计算奠定了重要基础，该方法基于热力学原理，通过分析空气和水之间的焓差来计算冷却塔的冷却能力，被广泛应用于冷却塔的设计和性能评估中。Poppe模型则进一步考虑了冷却塔内部的结构和流动特性，对传热传质过程进行了更详细的描述，提高了冷却塔性能计算的准确性。

随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟逐渐成为研究自然通风湿式冷却塔性能的重要手段。在国内，许多学者利用CFD技术对冷却塔内部的流场、温度场和传热传质过程进行了深入研究。周兰欣和蒋波通过数值模拟研究了横向风对湿式冷却塔热力特性的影响，发现侧风会使冷却塔进风口处的空气流量分布不均匀，导致冷却效率下降。金台等人对自然通风湿式冷却塔配水优化进行了三维数值研究，提出了优化配水方案，以提高冷却塔的冷却性能。赵元宾等人建立了三维模型，考虑了空气相与液相冷却水的三维运动控制方程以及两者之间的传热传质过程，揭示了进风口处的纵向漩涡对局部传质强度的影响。

在国外，相关研究也取得了丰硕的成果。Al-Waked和Behnia通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了提高湿式冷却塔性能的措施，包括改进填料结构、优化进风口设计等。Bourillot等人研究了风对自然湿式冷却塔性能的影响，指出侧风会改变冷却塔内部的气流分布，降低冷却塔的抽吸能力。D.D.DERKSEN等人对外界侧风对湿式冷却塔的影响做了初步的研究探讨，但该研究中，模型塔和实型塔之间不满足动力相似和热力相似的基本条件，而且也没有得出外界侧风对冷却塔传热传质性能参数的具体影响。

关于侧风对自然通风湿式冷却塔性能影响的研究，虽然已经取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处。部分研究在模型建立时，对冷却塔内部复杂的物理过程进行了过多简化，导致模拟结果与实际情况存在一定偏差。例如，在模拟填料区的传热传质时，一些模型采用简单的经验公式，未能充分考虑侧风条件下空气和水两相温度、速度、含湿量等参数的三维分布对局部传热传质的影响，降低了侧风下