機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

解明遠(yuǎn)，趙順安

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，水力學(xué)研究所，北京 100038）

1 研究背景

風(fēng)機(jī)是一種利用旋轉(zhuǎn)葉輪將電能轉(zhuǎn)化為空氣動(dòng)能的機(jī)械，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。目前，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)作為各行業(yè)重要的輔機(jī)產(chǎn)品，總耗電量占到總發(fā)電量的2%左右，在發(fā)電行業(yè)中，占電廠用電的30%以上[1]。若能提高風(fēng)機(jī)的能量利用效率，則對(duì)于節(jié)能減排工作有很大意義。在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中，風(fēng)機(jī)的作用主要是把經(jīng)過(guò)與水進(jìn)行熱質(zhì)交換的濕熱空氣送入大氣[2]。風(fēng)機(jī)風(fēng)筒也是機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的重要組成部分，其作用主要有兩個(gè)：一是降低冷卻塔風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓，從而減小風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能損失，減少風(fēng)機(jī)能耗；二是可以減小或防止冷卻塔排出的濕熱空氣回流[3]。風(fēng)筒動(dòng)能回收性能主要由風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的高度和角度以及線型決定。一般機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)筒的設(shè)計(jì)是依據(jù)規(guī)范來(lái)確定的，風(fēng)筒的高度為1/2D、擴(kuò)散角10°～ 15°[4]。

對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)筒，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究：羅金枝等[5]通過(guò)對(duì)比例為1：10風(fēng)筒模型進(jìn)行抽風(fēng)式模擬實(shí)驗(yàn)研究，分析某型號(hào)風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速和壓力分布，得出風(fēng)筒筒壁區(qū)域動(dòng)能下降顯著，說(shuō)明風(fēng)筒角度和高度對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)筒動(dòng)能回收率具有重要影響作用。對(duì)于風(fēng)機(jī)擴(kuò)散角度，根據(jù)流體試驗(yàn)可知，擴(kuò)散筒的擴(kuò)散角為14°～18°時(shí)流體可不發(fā)生分離，所以直線型風(fēng)筒的線形與垂直線夾角控制在7°～9°[6]。但上述文獻(xiàn)中對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的研究是基于風(fēng)筒內(nèi)部氣體不存在水平流動(dòng)進(jìn)行的，而實(shí)際情況是風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜，氣體除了向風(fēng)筒出口流動(dòng)外還存在大量的周向運(yùn)動(dòng)。毋飛翔[7]、李紅莉等[8]對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到冷卻塔內(nèi)、外流場(chǎng)分布。但二者都采用fluent內(nèi)部FAN邊界對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬，與風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況存在差異。周俊杰等[9]對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片及其他構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)流動(dòng)屬于旋轉(zhuǎn)射流，且風(fēng)機(jī)輪轂后有較大回流區(qū)域。但文章中沒(méi)有對(duì)空氣的旋轉(zhuǎn)射流流動(dòng)做進(jìn)一步分析，冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮旋轉(zhuǎn)射流流動(dòng)的影響。對(duì)于風(fēng)筒高度，許玉林等[10]和周光亮等[11]通過(guò)測(cè)試得出結(jié)論，當(dāng)風(fēng)筒高度大于1/2D時(shí)，氣流與風(fēng)筒會(huì)開(kāi)始發(fā)生分離；對(duì)于不同高度風(fēng)筒進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擴(kuò)散角相同，風(fēng)筒高度為1/2D時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量可增大7%，風(fēng)筒高度為1/3D時(shí)，風(fēng)量?jī)H增大3%。趙順安等[12]通過(guò)試驗(yàn)的方式研究了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔阻力、風(fēng)量的特性，對(duì)本實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)模擬計(jì)算可以起到驗(yàn)證的作用。

通過(guò)上述研究，風(fēng)筒能夠起到動(dòng)能回收的作用，且風(fēng)筒的動(dòng)能回收率與風(fēng)筒高度和擴(kuò)散角有關(guān)。但由于旋轉(zhuǎn)射流會(huì)使氣流擴(kuò)散角比普通射流更大，且試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果中很難反映出氣體周向運(yùn)動(dòng)速度，故使得上述文獻(xiàn)的結(jié)論不能很好的反應(yīng)實(shí)際情況。本文采用對(duì)風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)筒及整個(gè)冷卻塔區(qū)域進(jìn)行建模，考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流會(huì)使射流擴(kuò)散角增大，文中將風(fēng)筒擴(kuò)散角的研究范圍擴(kuò)大到32°，對(duì)比不同的冷卻塔風(fēng)筒擴(kuò)散角度和高度下風(fēng)筒的動(dòng)能回收效率，為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的設(shè)計(jì)改造提供參考依據(jù)。

2 風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

2.1 空氣流場(chǎng)控制方程由于冷卻塔風(fēng)速小于1/3音速，所以整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)可視為不可壓流動(dòng)，其控制方程包括連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。并選用RNGk-ε模型[13]對(duì)方程進(jìn)行封閉，各方程如下：

式中：u為速度（m/s）；ρ為空氣密度（kg/m3）；p為壓力（Pa）；τij為湍流切應(yīng)力；g為重力加速度（m/s2）；Fi為外源項(xiàng)；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率（m/s）；Gk為表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb是表示由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮脈動(dòng)流動(dòng)對(duì)湍流耗散率的貢獻(xiàn)；G1ε，G2ε，G3ε是實(shí)驗(yàn)常量；δk，δz是k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk，Sz是用戶自定義項(xiàng)。

2.2 數(shù)值方法和軟件簡(jiǎn)介數(shù)值模擬利用商業(yè)計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行，為了計(jì)算更快的收斂、使得計(jì)算精度得到保證，計(jì)算過(guò)程中選擇有限體積法，利用RNGk-ε湍流模式進(jìn)行封閉，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，方程求解時(shí)使用SIMPLEC算法。

2.3 模型建立及網(wǎng)格劃分以某機(jī)械通風(fēng)冷卻塔為研究對(duì)象，先采用solidworks對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉進(jìn)行建模；后將扇葉導(dǎo)入gambit中對(duì)14種風(fēng)筒和其他構(gòu)筑物分別進(jìn)行建模計(jì)算，風(fēng)筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)機(jī)和扇葉如圖2、圖3所示。整個(gè)塔體建模結(jié)果如圖4所示。對(duì)比分析無(wú)風(fēng)筒情況下與不同規(guī)格風(fēng)筒的動(dòng)能回收效率和風(fēng)量變化量。

圖1 風(fēng)筒角度、高度示意

表1 風(fēng)筒規(guī)格

圖2 葉片

圖3 扇葉

圖4 塔體模型

由于風(fēng)機(jī)直徑為6 m，分別取風(fēng)筒高1/3D和1/2D。風(fēng)筒規(guī)格參數(shù)如表1。

利用gambit進(jìn)行網(wǎng)格生成時(shí)，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算能力的要求。對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行分塊劃分，對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉區(qū)域、塔筒及其附近區(qū)域進(jìn)行加密。網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格

2.4 邊界條件根據(jù)研究對(duì)象，將計(jì)算域劃分為塔內(nèi)、塔外兩個(gè)區(qū)域：塔外區(qū)域，根據(jù)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的流動(dòng)特性，風(fēng)機(jī)扇葉區(qū)域和風(fēng)筒區(qū)域流動(dòng)復(fù)雜，計(jì)算域選取40 m×30 m×36 m（長(zhǎng)×寬×高），塔外區(qū)域邊界可以看作遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，邊界設(shè)置為壓力出口邊界。塔內(nèi)區(qū)域，塔體墻壁、輪轂、風(fēng)機(jī)葉片和風(fēng)筒均設(shè)置為無(wú)滑移的固壁界面；風(fēng)筒進(jìn)出口、填料上下界面等其他界面設(shè)置為內(nèi)部邊界；風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用RMF旋轉(zhuǎn)參考系模型，給定轉(zhuǎn)速700 r/s；填料區(qū)域采用多孔介質(zhì)模型。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果內(nèi)容由于風(fēng)筒出口中心位置有比較大的回流區(qū)，且風(fēng)機(jī)風(fēng)速沿徑向分布并不均勻，用傳統(tǒng)的取斷面平均速度求得斷面動(dòng)壓，進(jìn)而得到風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的動(dòng)能回收率的方法有比較大的局限性。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)機(jī)截面的總動(dòng)能可以由動(dòng)壓的面積分表示，公式為：

式中：E為斷面能量（J）；為出口截面法向量；Vi為斷面上各點(diǎn)的風(fēng)速（m/s）；G為風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s）；A為截面面積（m2）。

動(dòng)能回收率計(jì)算公式：

式中：η為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒動(dòng)能回收率（%）；E1、E2分別為風(fēng)筒進(jìn)口和出口動(dòng)能（J）。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)公式為：

式中：?為風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化率（%）；Qi為加風(fēng)筒后風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s）；Q1為無(wú)風(fēng)筒時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s）。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文采用三維建模數(shù)值計(jì)算，對(duì)高度為1/3D（2 m）和1/2D（3 m）的風(fēng)筒在擴(kuò)散角14°、16°、18°、20°、24°、28°和32°情況下分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得到機(jī)械通風(fēng)冷卻塔不同風(fēng)筒下的流場(chǎng)分布情況，對(duì)不同風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的動(dòng)能回收率和風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 流態(tài)分析對(duì)比不同高度和擴(kuò)散角的風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)具有相似性，以風(fēng)筒高2 m，擴(kuò)散角16°的風(fēng)筒為例，得到風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)如圖6—圖7所示。經(jīng)過(guò)較短的入口風(fēng)筒，空氣進(jìn)入葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域。從圖6中可以看出，受到葉輪的帶動(dòng)，空氣有了較大的周向速度，周向最大流速可以達(dá)到20 m/s以上，且流體有從葉輪中心向筒壁處流動(dòng)的趨勢(shì)，空氣速度從葉片中心輪轂處向風(fēng)筒壁方向速度逐漸變大。通過(guò)圖7跡線圖可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)屬于旋轉(zhuǎn)射流，流體在葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)有較大的周向速度，隨著流體向風(fēng)筒出口處流動(dòng)，流體的周向速度減小，主要以垂直風(fēng)筒截面方向流動(dòng)為主。

圖6 風(fēng)機(jī)葉片上斷面速度矢量圖

圖7 跡線圖

風(fēng)筒高度和擴(kuò)散角不同，風(fēng)筒內(nèi)空氣流態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。風(fēng)筒內(nèi)的速度矢量圖和壓力云圖如圖8和圖9所示。從圖8（a）和圖9（a）可以看出，由于風(fēng)機(jī)輪轂后方流體流動(dòng)速度小，且扇葉區(qū)域內(nèi)流體有向遠(yuǎn)離風(fēng)筒中心方向流動(dòng)的趨勢(shì)，所以流體在風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的中心區(qū)域形成比較大的低壓回流區(qū)，回流速度較小，導(dǎo)致風(fēng)筒出口斷面的風(fēng)速分布很不均勻，遠(yuǎn)離風(fēng)筒中心處流體流速較大，中心區(qū)域流速較小。

從圖8（b）和圖9（b）以及各型號(hào)風(fēng)筒的動(dòng)壓分布圖中可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)筒扇葉遠(yuǎn)端處動(dòng)壓最高，風(fēng)筒邊壁處會(huì)有低壓區(qū)。且隨著風(fēng)筒角度的增大和風(fēng)筒高度的增加，風(fēng)筒邊壁處低壓區(qū)逐漸開(kāi)始擴(kuò)大，即流體主流開(kāi)始逐漸與風(fēng)筒邊壁分離。從圖9（b）中可以看出，風(fēng)筒高3 m，擴(kuò)散角為28°時(shí)，風(fēng)筒邊壁處已經(jīng)出現(xiàn)明顯流動(dòng)分離。

3.2 風(fēng)筒尺寸對(duì)動(dòng)能回收率的影響通過(guò)分析風(fēng)機(jī)出口平均動(dòng)壓可以得到，當(dāng)不設(shè)置風(fēng)筒時(shí)，風(fēng)機(jī)上斷面動(dòng)壓為70.03 Pa，設(shè)置風(fēng)筒后由于風(fēng)筒出口面積較大，出口速度減小，風(fēng)筒出口動(dòng)壓基本小于50 Pa，所以設(shè)置風(fēng)筒對(duì)于風(fēng)機(jī)減少動(dòng)能損失是十分必要的。

圖8 風(fēng)筒高2m，擴(kuò)散角16°時(shí)，風(fēng)筒內(nèi)速度壓力分布

圖9 風(fēng)筒高3m，擴(kuò)散角28°時(shí)，風(fēng)筒內(nèi)速度矢量和壓力（Pa）分布

通過(guò)公式（2）（3）分析各種型號(hào)尺寸的風(fēng)筒的動(dòng)能回收率，如圖10所示?？梢钥闯鲲L(fēng)機(jī)風(fēng)筒的動(dòng)能回收率都在30%～40%左右。但可以看出風(fēng)機(jī)風(fēng)筒在風(fēng)筒擴(kuò)張角度相同時(shí)，風(fēng)筒高度為3 m時(shí)比風(fēng)筒高2 m時(shí)的動(dòng)能回收率大。并且當(dāng)風(fēng)筒擴(kuò)散角由14°增大到32°時(shí)，兩種高度風(fēng)筒的動(dòng)能回收率的變化規(guī)律都是先增大后減?。猴L(fēng)筒高3 m時(shí)，當(dāng)擴(kuò)散角為18°時(shí)動(dòng)能回收率達(dá)到最大值，為38.90%；風(fēng)筒高2 m時(shí)，擴(kuò)散角為20°時(shí)動(dòng)能回收率達(dá)到最大值，為36.17%。這是由于風(fēng)筒高3 m時(shí)比風(fēng)筒高2 m時(shí)，流體在流動(dòng)中先發(fā)生分離。

圖10 動(dòng)能回收率變化規(guī)律

圖11 風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化規(guī)律

3.3 風(fēng)筒尺寸對(duì)于風(fēng)量的影響冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化通過(guò)統(tǒng)計(jì)公式（4）得到，如圖11所示。安裝風(fēng)筒后風(fēng)機(jī)風(fēng)量比無(wú)風(fēng)筒時(shí)大，風(fēng)筒擴(kuò)散角在14°～20°之間時(shí)，3 m高風(fēng)筒的風(fēng)量大于2 m高風(fēng)筒的風(fēng)量。風(fēng)筒高3 m時(shí)，當(dāng)擴(kuò)散角為18°時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到最大值，較無(wú)風(fēng)筒時(shí)增大8%；風(fēng)筒高2 m時(shí)，風(fēng)筒擴(kuò)散角20度時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量較無(wú)風(fēng)筒時(shí)約增大4.5%。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒擴(kuò)散角大于20度時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量開(kāi)始下降。

4 結(jié)論

本文對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔風(fēng)機(jī)不同高度，不同擴(kuò)散角的風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）風(fēng)機(jī)扇葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域有較大的周向速度，風(fēng)筒內(nèi)流體屬于旋轉(zhuǎn)射流，且風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)流動(dòng)由于離心力作用有向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)，風(fēng)筒擴(kuò)散角可以突破規(guī)范規(guī)定的10°～15°使得動(dòng)能回收率和風(fēng)機(jī)風(fēng)量更高。

（2）隨著風(fēng)筒角度的逐漸擴(kuò)大，流體主流會(huì)與風(fēng)機(jī)風(fēng)筒邊壁發(fā)生分離；擴(kuò)散角度相同時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)筒高度的增大，流動(dòng)也會(huì)逐漸發(fā)生分離。

（3）在擴(kuò)散角不變的情況下，風(fēng)筒高3 m時(shí)動(dòng)能回收率比風(fēng)筒高2 m時(shí)高；兩種高度風(fēng)筒的動(dòng)能回收率都是隨著風(fēng)筒擴(kuò)散角的增大而先增大后減小，且不同高度風(fēng)筒的最佳擴(kuò)散角不同，風(fēng)筒高1/2D時(shí)最佳擴(kuò)散角為18°，風(fēng)筒高1/3D時(shí)最佳擴(kuò)散角為20°，兩種高度風(fēng)筒的最佳擴(kuò)散角度都在規(guī)范規(guī)定的范圍之外。

（4）風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化與風(fēng)筒動(dòng)能回收率變化規(guī)律相似，風(fēng)機(jī)風(fēng)量先增大后減小，兩種高度風(fēng)筒下風(fēng)量均在動(dòng)能回收率最高時(shí)達(dá)到最大值。