基于數(shù)值模擬的側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能影響剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自然通風濕式冷卻塔作為關(guān)鍵的散熱設備，廣泛應用于電力、化工、冶金等諸多領(lǐng)域。以電力行業(yè)為例，冷卻塔承擔著冷卻汽輪機排出乏汽的重要任務，對維持凝汽器的真空狀態(tài)、提高機組的循環(huán)熱效率起著不可或缺的作用。相關(guān)研究表明，凝汽器的背壓與機組循環(huán)熱效率緊密相關(guān)，而背壓又與進入凝汽器的循環(huán)冷卻水的溫度密切相連，循環(huán)冷卻水水溫每下降1℃，中壓機組以及高壓機組的效率分別將提升0.47%和0.35%。在化工和冶金等行業(yè)，冷卻塔同樣保障著生產(chǎn)過程中設備的正常冷卻，確?；瘜W反應和工藝流程的穩(wěn)定運行。自然通風濕式冷卻塔通過空氣與熱水之間的熱質(zhì)交換，實現(xiàn)熱量的傳遞和散發(fā)，從而達到冷卻的目的。在實際運行過程中，冷卻塔不可避免地會受到外界環(huán)境因素的影響，其中側(cè)風的作用尤為顯著。側(cè)風會改變冷卻塔周圍的空氣流動狀態(tài)，破壞冷卻塔內(nèi)部原本較為穩(wěn)定的流場和溫度場分布，進而對冷卻塔的性能產(chǎn)生多方面的影響。當側(cè)風存在時，冷卻塔迎風面和背風面的空氣流速和壓力分布會出現(xiàn)明顯差異，導致進風口處的空氣流量和分布不均勻，影響冷卻塔內(nèi)部的通風效果。側(cè)風還可能引發(fā)冷卻塔內(nèi)部的氣流擾動，增加空氣與熱水之間的傳熱傳質(zhì)阻力，降低冷卻塔的冷卻效率。側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響，會直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的效率和成本。在電力行業(yè)，如果冷卻塔的冷卻效果不佳，凝汽器真空度下降，將導致汽輪機的輸出功率降低，發(fā)電效率下降，同時增加燃料消耗，提高發(fā)電成本。據(jù)統(tǒng)計，由于冷卻塔性能受側(cè)風影響，某些火電廠的發(fā)電效率可能降低2%-5%，每年增加的燃料成本可達數(shù)百萬元甚至更多。在化工和冶金等行業(yè)，生產(chǎn)設備的冷卻效果不理想，可能會導致產(chǎn)品質(zhì)量下降、生產(chǎn)流程中斷，甚至引發(fā)安全事故，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。研究側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響具有重要的現(xiàn)實意義。從優(yōu)化冷卻塔設計的角度來看，深入了解側(cè)風作用下冷卻塔的性能變化規(guī)律，可以為冷卻塔的設計提供更為準確的理論依據(jù)。通過合理設計冷卻塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)、進風口形狀和位置、擋風設施等，可以有效降低側(cè)風對冷卻塔性能的不利影響，提高冷卻塔的冷卻效率和穩(wěn)定性。在冷卻塔的運行管理方面，掌握側(cè)風與冷卻塔性能之間的關(guān)系，能夠為運行人員提供科學的操作指導，根據(jù)不同的側(cè)風條件及時調(diào)整冷卻塔的運行參數(shù)，如循環(huán)水流量、布水方式等，確保冷卻塔始終處于最佳運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，促進工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自然通風濕式冷卻塔作為工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應用的冷卻設備，其性能研究一直是國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。在早期的研究中，學者們主要側(cè)重于冷卻塔的基本傳熱傳質(zhì)理論和常規(guī)工況下的性能分析。Merkel提出的焓差法為冷卻塔的熱力計算奠定了重要基礎，該方法基于熱力學原理，通過分析空氣和水之間的焓差來計算冷卻塔的冷卻能力，被廣泛應用于冷卻塔的設計和性能評估中。Poppe模型則進一步考慮了冷卻塔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和流動特性，對傳熱傳質(zhì)過程進行了更詳細的描述，提高了冷卻塔性能計算的準確性。隨著計算機技術(shù)和計算流體力學（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究自然通風濕式冷卻塔性能的重要手段。在國內(nèi)，許多學者利用CFD技術(shù)對冷卻塔內(nèi)部的流場、溫度場和傳熱傳質(zhì)過程進行了深入研究。周蘭欣和蔣波通過數(shù)值模擬研究了橫向風對濕式冷卻塔熱力特性的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)風會使冷卻塔進風口處的空氣流量分布不均勻，導致冷卻效率下降。金臺等人對自然通風濕式冷卻塔配水優(yōu)化進行了三維數(shù)值研究，提出了優(yōu)化配水方案，以提高冷卻塔的冷卻性能。趙元賓等人建立了三維模型，考慮了空氣相與液相冷卻水的三維運動控制方程以及兩者之間的傳熱傳質(zhì)過程，揭示了進風口處的縱向漩渦對局部傳質(zhì)強度的影響。在國外，相關(guān)研究也取得了豐碩的成果。Al-Waked和Behnia通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了提高濕式冷卻塔性能的措施，包括改進填料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化進風口設計等。Bourillot等人研究了風對自然濕式冷卻塔性能的影響，指出側(cè)風會改變冷卻塔內(nèi)部的氣流分布，降低冷卻塔的抽吸能力。D.D.DERKSEN等人對外界側(cè)風對濕式冷卻塔的影響做了初步的研究探討，但該研究中，模型塔和實型塔之間不滿足動力相似和熱力相似的基本條件，而且也沒有得出外界側(cè)風對冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能參數(shù)的具體影響。關(guān)于側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能影響的研究，雖然已經(jīng)取得了一定的進展，但仍存在一些不足之處。部分研究在模型建立時，對冷卻塔內(nèi)部復雜的物理過程進行了過多簡化，導致模擬結(jié)果與實際情況存在一定偏差。例如，在模擬填料區(qū)的傳熱傳質(zhì)時，一些模型采用簡單的經(jīng)驗公式，未能充分考慮側(cè)風條件下空氣和水兩相溫度、速度、含濕量等參數(shù)的三維分布對局部傳熱傳質(zhì)的影響，降低了側(cè)風下冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能計算分析的準確性。在研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響機制方面，現(xiàn)有研究還不夠深入全面。對于側(cè)風如何具體影響冷卻塔內(nèi)部不同區(qū)域（如配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)）的傳熱傳質(zhì)過程，以及各區(qū)域之間的相互作用機制，尚未完全明確。在應對側(cè)風影響的策略研究方面，雖然提出了一些措施，如安裝導風板、設置擋風墻等，但這些措施的優(yōu)化設計和實際應用效果還需要進一步深入研究和驗證。本文將在前人研究的基礎上，通過建立更加完善的數(shù)值模型，深入研究側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響機制。充分考慮冷卻塔內(nèi)部復雜的物理過程，全面分析側(cè)風對冷卻塔各區(qū)域傳熱傳質(zhì)的影響，以期為冷卻塔的優(yōu)化設計和運行提供更具針對性和可靠性的理論依據(jù)。同時，對各種應對側(cè)風影響的策略進行對比分析，提出更加有效的優(yōu)化方案，以提高冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的冷卻性能和穩(wěn)定性。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在通過數(shù)值模擬和理論分析，深入揭示側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響規(guī)律，并提出有效的改進措施，以提高冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的冷卻效率和穩(wěn)定性。具體研究內(nèi)容如下：建立自然通風濕式冷卻塔的數(shù)值模型：基于計算流體力學（CFD）原理，運用專業(yè)的CFD軟件，建立自然通風濕式冷卻塔的三維數(shù)值模型。模型將充分考慮冷卻塔的實際結(jié)構(gòu)，包括塔筒的雙曲線形狀、進風口的尺寸和位置、配水系統(tǒng)的布局、填料的特性以及收水器的結(jié)構(gòu)等。同時，考慮空氣和水的物理性質(zhì)，如密度、粘度、比熱容、導熱系數(shù)等隨溫度和濕度的變化，以及空氣與水之間的傳熱傳質(zhì)過程，確保模型能夠準確反映冷卻塔內(nèi)部的復雜物理現(xiàn)象。模擬分析側(cè)風條件下冷卻塔內(nèi)部的流場和傳熱傳質(zhì)特性：利用建立的數(shù)值模型，對不同側(cè)風速度和風向條件下冷卻塔內(nèi)部的空氣流場、溫度場和濕度場進行模擬計算。分析側(cè)風對冷卻塔進風口空氣流量分布、流速和流向的影響，以及在塔內(nèi)不同區(qū)域（配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)）的空氣流動特性。研究側(cè)風作用下空氣與水之間的傳熱傳質(zhì)過程，包括熱量傳遞速率、水分蒸發(fā)速率以及傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律，明確側(cè)風對冷卻塔冷卻性能的影響機制。探討側(cè)風對冷卻塔性能的影響規(guī)律：通過模擬結(jié)果，分析側(cè)風速度、風向與冷卻塔冷卻效率、出塔水溫、通風量等性能參數(shù)之間的定量關(guān)系。研究不同側(cè)風條件下冷卻塔內(nèi)部各區(qū)域傳熱傳質(zhì)的不均勻性，以及這種不均勻性對整體冷卻性能的影響?？疾靷?cè)風對冷卻塔抽吸能力的影響，分析冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的阻力特性，為冷卻塔的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。提出并驗證改善側(cè)風影響的策略和措施：根據(jù)側(cè)風對冷卻塔性能的影響規(guī)律，提出一系列改善側(cè)風影響的策略，如在冷卻塔進風口設置導風板、擋風墻等控風裝置，優(yōu)化配水系統(tǒng)和填料布置等。對提出的策略進行數(shù)值模擬分析，評估其對冷卻塔性能的改善效果，確定最佳的改進方案。通過與未采取改進措施的情況進行對比，驗證改進策略的有效性和可行性。二、自然通風濕式冷卻塔與側(cè)風影響理論基礎2.1自然通風濕式冷卻塔工作原理自然通風濕式冷卻塔主要由風筒、淋水裝置、配水槽、填料、收水器、集水池等部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同完成冷卻任務。風筒通常采用雙曲線形狀，這種獨特的造型設計具有重要的空氣動力學意義。雙曲線風筒能夠利用自然風的流動特性，引導空氣順暢地進入冷卻塔內(nèi)部，同時在塔內(nèi)形成穩(wěn)定的氣流通道，促進空氣與熱水之間的熱質(zhì)交換。雙曲線風筒還能有效提高冷卻塔的抽力，增強通風效果，使得冷卻塔能夠更高效地運行。淋水裝置的作用是將熱水均勻地噴灑在填料上，以增加水與空氣的接觸面積和接觸時間，提高熱質(zhì)交換效率。配水槽負責將熱水均勻分配到淋水裝置，確保每個淋水點都能得到適量的熱水供應，保證整個冷卻塔的冷卻效果均勻一致。填料是冷卻塔中實現(xiàn)熱質(zhì)交換的關(guān)鍵部件，它具有較大的比表面積和良好的親水性，能夠使水在其表面形成薄薄的水膜，極大地增加了水與空氣的接觸面積，為熱質(zhì)交換創(chuàng)造了有利條件。常見的填料材質(zhì)有塑料、陶瓷、木材等，不同材質(zhì)的填料在性能和適用場景上有所差異，例如塑料填料具有重量輕、耐腐蝕、價格低等優(yōu)點，被廣泛應用于各種工業(yè)冷卻塔中；陶瓷填料則具有耐高溫、化學穩(wěn)定性好等特點，適用于一些對溫度和化學環(huán)境要求較高的特殊工況。收水器安裝在冷卻塔頂部，用于回收隨空氣排出的水滴，減少水的損失，提高水資源的利用率，同時也能避免水滴對周圍環(huán)境造成污染。集水池位于冷卻塔底部，用于收集冷卻后的水，為后續(xù)的循環(huán)使用提供水源。自然通風濕式冷卻塔的工作原理基于空氣與水之間的熱質(zhì)交換過程。在冷卻塔運行時，熱水通過配水槽和淋水裝置均勻地分布在填料表面，形成水膜。與此同時，外界冷空氣由于塔內(nèi)外的空氣密度差或自然風力的作用，從冷卻塔底部的進風口進入塔內(nèi)。冷空氣在上升過程中與填料表面的熱水水膜充分接觸，發(fā)生熱質(zhì)交換。熱量從熱水傳遞給冷空氣，使熱水溫度降低；同時，部分水分蒸發(fā)進入空氣中，帶走大量的潛熱，進一步強化了冷卻效果。具體來說，熱質(zhì)交換過程包括顯熱交換和潛熱交換兩個部分。顯熱交換是由于空氣與水之間存在溫度差，熱量從高溫的水傳遞到低溫的空氣，使空氣溫度升高，水溫度降低。潛熱交換則是因為水分子具有不同的能量，部分動能較大的水分子能夠克服鄰近水分子的吸引力，從水表面逸出成為水蒸氣，這個過程需要吸收熱量，從而使水的溫度降低。蒸發(fā)的水分子首先在水表面形成一層薄的飽和空氣層，其溫度和水面溫度相同，然后水蒸氣從飽和層向大氣中擴散，擴散的快慢取決于飽和層的水蒸氣壓力和大氣的水蒸氣壓力差，這符合道爾頓定律。在實際運行中，潛熱交換在冷卻塔的冷卻過程中起著主導作用，約占總散熱量的80%左右，而顯熱交換約占20%。經(jīng)過熱質(zhì)交換后的濕熱空氣從冷卻塔頂部排出，冷卻后的水則落入集水池，通過循環(huán)水泵再次輸送到需要冷卻的設備中，實現(xiàn)循環(huán)冷卻。2.2冷卻塔性能評價指標為了全面、準確地評估自然通風濕式冷卻塔在側(cè)風條件下的性能，需要引入一系列科學合理的性能評價指標。這些指標能夠從不同角度反映冷卻塔的工作狀態(tài)和冷卻效果，為研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響提供量化依據(jù)。冷卻數(shù)是冷卻塔性能評價的重要指標之一，它反映了冷卻塔實現(xiàn)給定冷卻任務所需的熱質(zhì)交換能力。冷卻數(shù)越大，表明冷卻塔需要傳遞更多的熱量才能達到相同的冷卻效果，意味著冷卻塔的熱質(zhì)交換過程相對更困難，反之亦然。冷卻數(shù)的計算基于Merkel理論，通過對冷卻塔內(nèi)空氣和水的焓差、流量以及傳熱傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)的綜合分析得出。具體計算公式為：N=\int_{t_2}^{t_1}\frac{c_p\cdot\Deltat}{h-h_w}\cdot\frac{1}{L}\cdotdL其中，N為冷卻數(shù)，c_p為空氣的定壓比熱容，\Deltat為空氣與水之間的溫差，h為空氣的焓值，h_w為與水溫相對應的飽和空氣焓值，L為水的質(zhì)量流量。在實際應用中，冷卻數(shù)可以幫助工程師評估冷卻塔在不同工況下的性能，為冷卻塔的設計和運行提供重要參考。例如，在設計新的冷卻塔時，可以根據(jù)預期的冷卻任務和工況條件計算所需的冷卻數(shù)，從而確定冷卻塔的規(guī)模和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在運行過程中，通過監(jiān)測冷卻數(shù)的變化，可以及時發(fā)現(xiàn)冷卻塔性能的異常，采取相應的調(diào)整措施。劉易斯數(shù)（Lewisnumber）是一個無量綱數(shù)，它在冷卻塔性能評價中具有獨特的意義，反映了冷卻塔內(nèi)空氣與水之間傳熱和傳質(zhì)過程的相對強度。當劉易斯數(shù)等于1時，表明傳熱和傳質(zhì)過程的速率相等，此時冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程處于一種理想的平衡狀態(tài)。當劉易斯數(shù)不等于1時，傳熱和傳質(zhì)過程的速率存在差異，這將影響冷卻塔的冷卻效率。例如，當劉易斯數(shù)小于1時，傳質(zhì)過程相對較強，水分蒸發(fā)帶走的熱量較多，冷卻塔的冷卻效果主要由傳質(zhì)過程控制；當劉易斯數(shù)大于1時，傳熱過程相對較強，熱量主要通過顯熱傳遞的方式從水傳遞到空氣，冷卻塔的冷卻效果主要由傳熱過程控制。劉易斯數(shù)的計算公式為：Le=\frac{\alpha}{D\cdot\rho\cdotc_p}其中，Le為劉易斯數(shù)，\alpha為空氣的熱擴散系數(shù)，D為水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)，\rho為空氣的密度，c_p為空氣的定壓比熱容。通過研究劉易斯數(shù)與冷卻塔性能之間的關(guān)系，可以深入了解冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換的機制，為優(yōu)化冷卻塔的性能提供理論指導。例如，在設計冷卻塔時，可以通過調(diào)整冷卻塔的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，如填料的類型和布置、空氣流速等，來改變劉易斯數(shù)，從而提高冷卻塔的冷卻效率。出塔水溫是衡量冷卻塔冷卻效果的直觀指標，直接反映了冷卻塔對熱水的冷卻程度。出塔水溫越低，說明冷卻塔的冷卻效果越好，能夠為后續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)提供更低溫度的冷卻水，有利于提高生產(chǎn)設備的運行效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在電力行業(yè)中，較低的出塔水溫可以提高凝汽器的真空度，增加汽輪機的輸出功率，降低發(fā)電成本。出塔水溫受到多種因素的影響，如進塔水溫、空氣濕球溫度、冷卻塔的熱負荷、通風量以及側(cè)風等。在側(cè)風條件下，側(cè)風會改變冷卻塔內(nèi)的空氣流動狀態(tài)和熱質(zhì)交換過程，從而對出塔水溫產(chǎn)生顯著影響。研究側(cè)風與出塔水溫之間的關(guān)系，對于優(yōu)化冷卻塔的運行和提高冷卻效率具有重要意義。例如，通過數(shù)值模擬或?qū)嶒炑芯?，可以分析不同?cè)風速度和風向?qū)Τ鏊疁氐挠绊懸?guī)律，為在側(cè)風環(huán)境下合理調(diào)整冷卻塔的運行參數(shù)提供依據(jù)。通風量是指單位時間內(nèi)進入冷卻塔的空氣體積，它是影響冷卻塔性能的關(guān)鍵因素之一。充足的通風量能夠保證冷卻塔內(nèi)有足夠的冷空氣與熱水進行熱質(zhì)交換，提高冷卻效率。通風量的大小與冷卻塔的結(jié)構(gòu)、進風口的面積和形狀、塔內(nèi)外的空氣壓差以及側(cè)風等因素密切相關(guān)。在側(cè)風作用下，側(cè)風會改變冷卻塔進風口處的空氣壓力分布和流速，導致通風量發(fā)生變化。當側(cè)風風速較大時，可能會在進風口處形成局部的氣流阻塞或回流，減少通風量，從而降低冷卻塔的冷卻性能。相反，適當?shù)膫?cè)風條件可能會改善進風口處的空氣分布，增加通風量，提高冷卻塔的冷卻效果。通風量的計算公式為：Q=v\cdotA其中，Q為通風量，v為進風口處的平均風速，A為進風口的面積。在研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響時，準確測量和分析通風量的變化對于理解冷卻塔內(nèi)的空氣流動和熱質(zhì)交換過程至關(guān)重要。通過實驗或數(shù)值模擬，可以獲取不同側(cè)風條件下冷卻塔的通風量數(shù)據(jù)，進而分析通風量與其他性能指標之間的關(guān)系，為優(yōu)化冷卻塔的通風系統(tǒng)和提高冷卻性能提供支持。這些性能評價指標相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)成了評估自然通風濕式冷卻塔性能的指標體系。在研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響時，綜合考慮這些指標，能夠全面、深入地了解側(cè)風對冷卻塔熱質(zhì)交換過程、冷卻效果和運行穩(wěn)定性的影響機制，為冷卻塔的優(yōu)化設計和運行提供科學依據(jù)。2.3側(cè)風對冷卻塔性能影響的理論分析從空氣動力學角度來看，側(cè)風的存在會使冷卻塔周圍的空氣流動狀態(tài)變得極為復雜。在無側(cè)風的理想情況下，冷卻塔內(nèi)部的氣流呈軸對稱分布，空氣能夠較為均勻地從進風口進入塔內(nèi)，在上升過程中與熱水充分接觸，完成熱質(zhì)交換后從塔頂排出。當側(cè)風出現(xiàn)時，這種理想的軸對稱流場被徹底打破。側(cè)風會在冷卻塔迎風面形成高壓區(qū)，在背風面形成低壓區(qū)，導致進風口處的空氣壓力分布不均。這種壓力差會使空氣在進風口處的流動方向發(fā)生改變，出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象，部分空氣甚至會在進風口附近形成回流或漩渦。這些復雜的氣流現(xiàn)象會導致進風口處的空氣流量分布不均勻，使得冷卻塔內(nèi)不同區(qū)域的通風量存在差異，進而影響冷卻塔的整體性能。側(cè)風對冷卻塔進風量的影響也十分顯著。當側(cè)風風速較小時，它會對冷卻塔的進風起到一定的助推作用，在一定程度上增加進風量。隨著側(cè)風風速的不斷增大，其負面影響逐漸凸顯。過高的側(cè)風風速會在進風口處產(chǎn)生強烈的氣流擾動，形成局部的氣流阻塞，阻礙空氣順利進入冷卻塔，導致進風量減少。相關(guān)研究表明，當側(cè)風風速超過一定閾值時，進風量會隨著側(cè)風風速的增大而急劇下降。例如，在某些實際案例中，當側(cè)風風速從2m/s增加到5m/s時，進風量可能會減少20%-30%，這將嚴重影響冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程，降低冷卻塔的冷卻效率。冷卻塔的抽吸能力是保證其正常運行的關(guān)鍵因素之一，而側(cè)風會對其產(chǎn)生不利影響。冷卻塔的抽吸能力主要依賴于塔內(nèi)外的空氣密度差以及自然通風產(chǎn)生的抽力。側(cè)風的存在會干擾冷卻塔內(nèi)部的氣流分布，破壞塔內(nèi)外的壓力平衡，從而降低冷卻塔的抽吸能力。具體來說，側(cè)風會使冷卻塔背風側(cè)的壓力降低，減小塔內(nèi)外的壓力差，導致抽力減弱。側(cè)風引起的進風口處的氣流擾動和回流現(xiàn)象，也會增加空氣進入冷卻塔的阻力，進一步削弱抽吸能力。抽吸能力的降低會使冷卻塔內(nèi)的空氣流速減慢，減少空氣與熱水的接觸時間和接觸面積，不利于熱質(zhì)交換的進行，最終導致冷卻塔的冷卻性能下降。從傳熱傳質(zhì)學角度分析，側(cè)風對冷卻塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程有著復雜的影響。在填料區(qū)，空氣與熱水之間的傳熱傳質(zhì)是冷卻塔實現(xiàn)冷卻的核心環(huán)節(jié)。側(cè)風會改變空氣在填料區(qū)的流動路徑和速度分布，使得空氣與熱水的接觸情況發(fā)生變化。由于側(cè)風導致進風口處的空氣流量分布不均勻，填料區(qū)不同部位的空氣流速和溫度也會出現(xiàn)差異。在迎風側(cè)，空氣流速可能會增大，導致空氣與熱水的接觸時間縮短，傳熱傳質(zhì)過程不完全；在背風側(cè)，空氣流速可能會減小，使得空氣不能充分吸收熱水的熱量和水分，同樣影響傳熱傳質(zhì)效率。側(cè)風引起的氣流擾動還會增加空氣與熱水之間的傳熱傳質(zhì)阻力，降低傳質(zhì)系數(shù)，進一步削弱傳熱傳質(zhì)效果。在雨區(qū)，側(cè)風同樣會對傳熱傳質(zhì)產(chǎn)生影響。雨區(qū)是熱水從填料區(qū)落下后與空氣繼續(xù)進行熱質(zhì)交換的區(qū)域。側(cè)風會改變雨滴的下落軌跡和速度，使雨滴在下落過程中與空氣的接觸面積和接觸時間發(fā)生變化。側(cè)風可能會將雨滴吹向冷卻塔的一側(cè)，導致該側(cè)的熱質(zhì)交換增強，而另一側(cè)的熱質(zhì)交換減弱，從而使雨區(qū)的傳熱傳質(zhì)分布不均勻。側(cè)風還可能會加速雨滴的蒸發(fā)速度，但如果風速過大，也可能會使雨滴來不及與空氣充分進行熱質(zhì)交換就被吹出冷卻塔，降低雨區(qū)的冷卻效率。側(cè)風對冷卻塔性能的影響是一個復雜的多物理場耦合過程，涉及空氣動力學和傳熱傳質(zhì)學等多個學科領(lǐng)域。通過深入分析側(cè)風對冷卻塔流場不對稱、進風量變化、抽吸能力降低以及傳熱傳質(zhì)性能改變的理論機制，可以為進一步研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響規(guī)律以及提出有效的改善措施提供堅實的理論基礎。三、數(shù)值研究方法與模型建立3.1數(shù)值模擬軟件與方法選擇在研究側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響時，選擇合適的數(shù)值模擬軟件和方法至關(guān)重要。計算流體力學（CFD）軟件因其強大的功能和廣泛的應用領(lǐng)域，成為了本研究的首選工具。CFD軟件基于計算流體力學原理，能夠?qū)Ω鞣N復雜的流體流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬和分析。它通過將計算區(qū)域離散化為眾多的網(wǎng)格單元，在每個單元上建立和求解流體流動的控制方程，從而得到流場的詳細信息，如速度、壓力、溫度等參數(shù)的分布情況。CFD軟件具有諸多顯著的優(yōu)勢。它能夠處理復雜的幾何形狀，自然通風濕式冷卻塔的結(jié)構(gòu)較為復雜，包括雙曲線塔筒、進風口、配水系統(tǒng)、填料、收水器等部件，CFD軟件可以精確地對這些部件進行建模，準確地模擬冷卻塔內(nèi)部的真實流場，這是傳統(tǒng)實驗方法難以實現(xiàn)的。CFD軟件還能模擬多種物理過程的耦合，在自然通風濕式冷卻塔中，涉及空氣與水的熱質(zhì)交換、傳熱傳質(zhì)、流動阻力等多種物理過程，CFD軟件能夠綜合考慮這些過程之間的相互作用，全面地分析冷卻塔的性能。CFD軟件還具有高效性和經(jīng)濟性。與傳統(tǒng)的實驗研究相比，使用CFD軟件進行數(shù)值模擬無需搭建實際的實驗裝置，節(jié)省了大量的時間和成本，同時可以快速地改變模擬參數(shù)，進行多種工況的模擬分析，大大提高了研究效率。在本研究中，選用了ANSYSFluent軟件作為數(shù)值模擬工具。ANSYSFluent是一款功能強大、應用廣泛的CFD軟件，它擁有豐富的物理模型和求解算法，能夠滿足各種復雜流動問題的模擬需求。在處理自然通風濕式冷卻塔的模擬時，ANSYSFluent軟件可以精確地模擬空氣和水的流動，以及它們之間的熱質(zhì)交換過程。對于空氣的流動，軟件能夠準確地計算空氣在冷卻塔內(nèi)的速度分布、壓力分布和溫度分布，分析側(cè)風對空氣流動的影響。在模擬水的流動時，軟件可以考慮水在配水系統(tǒng)中的分布、在填料表面的流動形態(tài)以及在雨區(qū)的下落過程，為研究空氣與水之間的傳熱傳質(zhì)提供準確的邊界條件。在數(shù)值計算方法方面，湍流模型的選擇對于模擬結(jié)果的準確性至關(guān)重要。由于自然通風濕式冷卻塔內(nèi)的空氣流動處于湍流狀態(tài)，需要采用合適的湍流模型來描述湍流特性。標準k-ε湍流模型是一種常用的雙方程湍流模型，它通過求解湍動能k和湍動耗散率ε的輸運方程來封閉雷諾應力項，能夠較好地模擬一般工程中的湍流流動。該模型計算效率較高，在許多實際工程應用中取得了良好的效果。在自然通風濕式冷卻塔的模擬中，標準k-ε湍流模型能夠合理地描述冷卻塔內(nèi)的湍流流動，準確地預測空氣的速度和壓力分布，為后續(xù)的傳熱傳質(zhì)分析提供可靠的基礎。離散格式的選擇也會影響數(shù)值計算的精度和穩(wěn)定性。二階迎風格式是一種常用的離散格式，它在對流項的離散中考慮了上游和下游的信息，能夠有效減少數(shù)值耗散，提高計算精度。與一階迎風格式相比，二階迎風格式在處理復雜流動時能夠更準確地捕捉流場的細節(jié)信息，對于自然通風濕式冷卻塔內(nèi)復雜的空氣流動和傳熱傳質(zhì)過程，二階迎風格式能夠更精確地計算各物理量的分布，從而提高模擬結(jié)果的準確性。ANSYSFluent軟件結(jié)合標準k-ε湍流模型和二階迎風格式，為研究側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的影響提供了可靠的數(shù)值模擬方法，能夠深入地分析冷卻塔內(nèi)部的流場和傳熱傳質(zhì)特性，為冷卻塔的優(yōu)化設計和運行提供有力的理論支持。3.2物理模型構(gòu)建本研究以某實際電廠中運行的自然通風濕式冷卻塔為原型，構(gòu)建三維物理模型，旨在盡可能真實地還原冷卻塔的實際工作狀態(tài)，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供可靠基礎。該冷卻塔的主要尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：塔筒高度為120m，底部直徑100m，喉部直徑60m，進風口高度15m，淋水面積8000m2。塔筒采用雙曲線形狀，這種獨特的造型能夠有效利用自然通風產(chǎn)生的抽力，促進空氣在塔內(nèi)的流動，增強冷卻塔的散熱能力。進風口位于塔筒底部，呈環(huán)形分布，其高度和面積的設計旨在確保足夠的冷空氣能夠進入塔內(nèi)，與熱水進行充分的熱質(zhì)交換。配水系統(tǒng)由配水槽和噴頭組成，配水槽沿圓周方向均勻布置，將熱水均勻分配到各個噴頭，噴頭則將熱水以一定的角度和速度噴灑到填料上，使熱水在填料表面形成均勻的水膜，增加水與空氣的接觸面積，提高熱質(zhì)交換效率。填料采用S波塑料填料，這種填料具有較大的比表面積和良好的親水性，能夠有效促進空氣與水之間的熱質(zhì)交換。其高度為1.5m，填充在冷卻塔內(nèi)部的特定區(qū)域，形成熱質(zhì)交換的主要場所。收水器安裝在冷卻塔頂部，用于回收隨空氣排出的水滴，減少水的損失，提高水資源的利用率。收水器采用折板型結(jié)構(gòu)，通過多次改變氣流方向，使水滴在慣性作用下與氣流分離，從而實現(xiàn)水滴的回收。為了簡化計算過程，在構(gòu)建物理模型時進行了一些合理的假設和簡化處理。由于冷卻塔的結(jié)構(gòu)和運行工況在周向具有一定的對稱性，在模擬計算中忽略了配水系統(tǒng)和噴頭的細節(jié)結(jié)構(gòu)，將其簡化為均勻的水膜分布在填料上。這種簡化處理在保證計算精度的前提下，能夠大大減少計算量，提高計算效率。同時，對收水器進行簡化，將其視為具有一定阻力的多孔介質(zhì)，忽略其具體的折板結(jié)構(gòu)，僅考慮其對氣流的阻力作用以及對水滴的回收效果。在模擬空氣與水的熱質(zhì)交換過程中，忽略了水中雜質(zhì)和溶解氣體對傳熱傳質(zhì)的影響，將水視為純凈的液態(tài)物質(zhì)，空氣視為理想氣體，從而簡化了物理模型，避免了復雜的物理過程對計算結(jié)果的干擾，使研究重點能夠集中在側(cè)風對冷卻塔性能的主要影響因素上。3.3網(wǎng)格劃分與獨立性驗證在數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格劃分是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到計算結(jié)果的準確性和計算效率。對于自然通風濕式冷卻塔這樣復雜的幾何模型，采用合適的網(wǎng)格劃分方法和技術(shù)尤為關(guān)鍵。本研究運用ANSYSICEMCFD軟件對冷卻塔的三維物理模型進行網(wǎng)格劃分。ANSYSICEMCFD是一款專業(yè)的網(wǎng)格生成軟件，它具有強大的功能和豐富的網(wǎng)格生成算法，能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，滿足復雜模型的數(shù)值模擬需求。在對冷卻塔模型進行網(wǎng)格劃分時，充分考慮了模型的結(jié)構(gòu)特點和物理過程的復雜性。對于塔筒、進風口、配水系統(tǒng)等關(guān)鍵部位，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格單元排列整齊，節(jié)點分布均勻，能夠提高計算精度和收斂速度。在塔筒的壁面附近，對網(wǎng)格進行了加密處理，以更準確地捕捉邊界層內(nèi)的流動和傳熱現(xiàn)象。邊界層內(nèi)的流動和傳熱特性對冷卻塔的整體性能有著重要影響，通過加密壁面附近的網(wǎng)格，可以提高對邊界層內(nèi)物理過程的模擬精度。在配水系統(tǒng)的管道和噴頭周圍，也進行了網(wǎng)格加密，以準確模擬水在配水系統(tǒng)中的流動和分配情況。對于填料區(qū)和雨區(qū)，由于其內(nèi)部的流動和傳熱傳質(zhì)過程較為復雜，采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應復雜的幾何形狀和物理過程，具有更高的靈活性和適應性。在填料區(qū)內(nèi)，根據(jù)填料的形狀和分布特點，生成了四面體網(wǎng)格，以準確模擬空氣與水在填料表面的熱質(zhì)交換過程。四面體網(wǎng)格可以更好地貼合填料的復雜形狀，提高對填料區(qū)傳熱傳質(zhì)過程的模擬精度。在雨區(qū)，考慮到水滴的下落軌跡和蒸發(fā)過程，同樣采用了四面體網(wǎng)格，并對水滴周圍的網(wǎng)格進行了適當加密，以準確捕捉水滴與空氣之間的相互作用。為了確保模擬結(jié)果的準確性，進行了網(wǎng)格獨立性驗證。網(wǎng)格獨立性驗證的目的是確定在不同網(wǎng)格密度下，計算結(jié)果是否收斂到一個穩(wěn)定的值。如果隨著網(wǎng)格密度的增加，計算結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，則說明網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠，計算結(jié)果具有網(wǎng)格獨立性。在本研究中，分別生成了網(wǎng)格數(shù)量為50萬、100萬、150萬、200萬和250萬的五種不同密度的網(wǎng)格模型，對相同工況下的冷卻塔性能進行模擬計算。選擇了出塔水溫、通風量和冷卻數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)，對不同網(wǎng)格密度下的計算結(jié)果進行對比分析。出塔水溫直接反映了冷卻塔的冷卻效果，通風量影響著冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換速率，冷卻數(shù)則綜合體現(xiàn)了冷卻塔的熱質(zhì)交換能力。通過分析這些關(guān)鍵參數(shù)在不同網(wǎng)格密度下的變化情況，可以判斷網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響程度。當網(wǎng)格數(shù)量從50萬增加到100萬時，出塔水溫下降了0.2℃，通風量增加了5%，冷卻數(shù)減小了3%；當網(wǎng)格數(shù)量從100萬增加到150萬時，出塔水溫下降了0.05℃，通風量增加了2%，冷卻數(shù)減小了1%；當網(wǎng)格數(shù)量從150萬增加到200萬時，出塔水溫下降了0.02℃，通風量增加了1%，冷卻數(shù)減小了0.5%；當網(wǎng)格數(shù)量從200萬增加到250萬時，出塔水溫、通風量和冷卻數(shù)的變化均小于0.5%。通過以上分析可知，當網(wǎng)格數(shù)量達到200萬時，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，關(guān)鍵參數(shù)的變化已經(jīng)非常小，計算結(jié)果基本收斂。因此，確定網(wǎng)格數(shù)量為200萬的網(wǎng)格模型為合適的計算模型，既能保證計算結(jié)果的準確性，又能在一定程度上控制計算成本和計算時間。3.4邊界條件設置與求解器參數(shù)設定在數(shù)值模擬中，合理設置邊界條件和求解器參數(shù)對于獲得準確可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。本研究根據(jù)自然通風濕式冷卻塔的實際運行工況和物理模型的特點，對邊界條件進行了精心設置。對于入口邊界條件，考慮到自然通風的作用以及側(cè)風的影響，將計算域的迎風面入口設定為速度入口邊界條件。根據(jù)實際測量或氣象數(shù)據(jù)，給定不同工況下的側(cè)風風速和風向，風速范圍設定為0-10m/s，以涵蓋常見的自然風條件。在風向方面，分別考慮了0°（垂直于冷卻塔軸線方向）、30°、60°和90°等不同角度，以全面研究側(cè)風方向?qū)鋮s塔性能的影響。在入口處，還需給定空氣的溫度、濕度等初始參數(shù)，根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件，將空氣的干球溫度設定為25℃，相對濕度設定為60%，確保入口條件符合實際情況。出口邊界條件采用壓力出口邊界條件，將計算域的背風面出口設置為壓力出口，出口壓力設定為當?shù)氐拇髿鈮毫Γ?01325Pa。這種設置方式能夠準確模擬空氣從冷卻塔排出后的自由流動狀態(tài)，保證計算結(jié)果的準確性。在壓力出口邊界條件下，空氣的流速、溫度等參數(shù)由計算過程自動求解得出，符合實際物理過程中空氣從高壓區(qū)流向低壓區(qū)的流動規(guī)律。壁面邊界條件方面，將塔筒壁面、配水系統(tǒng)的管道壁面以及收水器的壁面等均定義為無滑移壁面邊界條件。這意味著在壁面處，空氣的流速為零，能夠準確模擬壁面對空氣流動的阻滯作用。在近壁面區(qū)域，采用標準壁面函數(shù)法對空氣運動控制方程進行處理，以準確捕捉邊界層內(nèi)的流動和傳熱現(xiàn)象。標準壁面函數(shù)法通過建立壁面附近的速度、溫度等參數(shù)與壁面距離之間的關(guān)系，能夠有效提高對邊界層內(nèi)物理過程的模擬精度。在處理塔筒壁面時，考慮到壁面的粗糙度對空氣流動的影響，根據(jù)實際情況給定一定的粗糙度高度，以更真實地反映壁面的物理特性。在求解器參數(shù)設定方面，選用基于壓力基的求解器，這種求解器適用于不可壓縮流體的流動問題，能夠有效處理自然通風濕式冷卻塔內(nèi)空氣和水的流動情況。在壓力-速度耦合算法上，采用SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations），該算法是一種常用的壓力修正算法，通過迭代求解壓力和速度的耦合方程，能夠快速、穩(wěn)定地收斂到準確的解。在迭代計算過程中，設置了合理的收斂殘差標準，將連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等的收斂殘差均設定為10-6，確保計算結(jié)果的準確性和可靠性。當各方程的殘差小于設定的收斂標準時，認為計算結(jié)果已經(jīng)收斂，迭代計算結(jié)束。為了加速計算收斂過程，還對松弛因子進行了合理調(diào)整。松弛因子是迭代計算中的一個重要參數(shù)，它能夠控制迭代過程的穩(wěn)定性和收斂速度。在本研究中，對壓力、動量、能量等方程分別設置了不同的松弛因子，壓力松弛因子設定為0.3，動量松弛因子設定為0.7，能量松弛因子設定為0.8。通過調(diào)整這些松弛因子，使得迭代計算在保證穩(wěn)定性的前提下，能夠更快地收斂到準確的解，提高了計算效率。四、模擬結(jié)果與分析4.1無風工況下冷卻塔性能模擬結(jié)果在無風工況下，對自然通風濕式冷卻塔內(nèi)部的空氣速度場、溫度場和濕度場進行模擬，得到了一系列詳細的結(jié)果，這些結(jié)果為深入了解冷卻塔在理想狀態(tài)下的性能以及后續(xù)分析側(cè)風對冷卻塔性能的影響提供了重要的基礎。圖1展示了無風工況下冷卻塔內(nèi)部空氣速度場的分布云圖。從圖中可以清晰地看出，空氣在冷卻塔內(nèi)的流動呈現(xiàn)出較為規(guī)則和對稱的模式。在進風口處，空氣均勻地流入冷卻塔，速度分布相對均勻，平均風速約為1.5m/s。隨著空氣向上流動，由于塔筒的收縮作用，空氣速度逐漸增大。在塔筒喉部，空氣速度達到最大值，約為3.5m/s。這是因為喉部的截面積較小，根據(jù)連續(xù)性方程，在質(zhì)量流量不變的情況下，流速會相應增大。在喉部以上，隨著塔筒逐漸擴張，空氣速度又逐漸減小，在塔頂出口處，空氣速度降至約2.0m/s。這種速度分布有利于空氣在冷卻塔內(nèi)與熱水充分接觸，促進熱質(zhì)交換的進行。[此處插入圖1：無風工況下冷卻塔內(nèi)部空氣速度場分布云圖]圖2為無風工況下冷卻塔內(nèi)部溫度場的分布云圖。在進風口處，空氣溫度較低，約為25℃，這是外界環(huán)境空氣的初始溫度。隨著空氣向上流動，與熱水進行熱質(zhì)交換，空氣吸收熱量，溫度逐漸升高。在填料區(qū)，空氣與熱水的接觸最為充分，溫度升高最為明顯。在填料區(qū)頂部，空氣溫度已經(jīng)升高到約35℃。在雨區(qū)，空氣繼續(xù)與下落的水滴進行熱質(zhì)交換，溫度進一步升高，在塔頂出口處，空氣溫度達到約38℃。這種溫度分布反映了冷卻塔內(nèi)熱量從熱水傳遞到空氣的過程，也說明了熱質(zhì)交換在冷卻塔內(nèi)的主要發(fā)生區(qū)域。[此處插入圖2：無風工況下冷卻塔內(nèi)部溫度場分布云圖]圖3給出了無風工況下冷卻塔內(nèi)部濕度場的分布云圖。在進風口處，空氣的相對濕度為60%，這是根據(jù)當?shù)貧庀髼l件設定的初始值。隨著空氣在塔內(nèi)上升，與熱水發(fā)生熱質(zhì)交換，水分蒸發(fā)進入空氣中，空氣的濕度逐漸增大。在填料區(qū)，由于熱水的大量蒸發(fā)，空氣濕度急劇增加，在填料區(qū)頂部，空氣相對濕度已經(jīng)達到約90%。在雨區(qū)，雖然水分蒸發(fā)量相對減少，但空氣仍然繼續(xù)吸收水滴蒸發(fā)的水分，濕度進一步升高，在塔頂出口處，空氣相對濕度達到約95%。濕度場的分布與溫度場的分布密切相關(guān)，水分蒸發(fā)過程伴隨著熱量的吸收，進一步強化了冷卻塔的冷卻效果。[此處插入圖3：無風工況下冷卻塔內(nèi)部濕度場分布云圖]通過對無風工況下冷卻塔內(nèi)部空氣速度場、溫度場和濕度場的分析，可以得出以下結(jié)論：在無風工況下，冷卻塔內(nèi)部的流場較為穩(wěn)定和對稱，空氣能夠均勻地進入冷卻塔并與熱水進行充分的熱質(zhì)交換。進風口處的空氣速度和溫度分布均勻，為熱質(zhì)交換提供了良好的初始條件。在填料區(qū)和雨區(qū)，空氣與熱水之間的熱質(zhì)交換強烈，使得空氣的溫度和濕度顯著升高，有效地實現(xiàn)了熱水的冷卻。這些結(jié)果為后續(xù)研究側(cè)風對冷卻塔性能的影響提供了重要的參考依據(jù)，通過與側(cè)風工況下的模擬結(jié)果進行對比，可以清晰地看出側(cè)風對冷卻塔內(nèi)部流場和熱質(zhì)交換特性的干擾和改變。4.2側(cè)風工況下冷卻塔空氣動力場分析側(cè)風工況下，冷卻塔周圍和內(nèi)部的空氣動力場發(fā)生了顯著變化。圖4展示了不同側(cè)風速度下冷卻塔進風口處的空氣速度矢量圖。當側(cè)風速度為2m/s時，在迎風面，空氣受到側(cè)風的推動，流速明顯增大，部分空氣直接沖向塔筒壁面，形成高速氣流區(qū)域，最大流速可達2.5m/s左右。在背風面，由于側(cè)風的抽吸作用，空氣流速相對較小，出現(xiàn)了一定程度的回流現(xiàn)象，回流區(qū)域的流速約為0.5m/s。在側(cè)風方向兩側(cè)，空氣流速分布較為不均勻，呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。[此處插入圖4：不同側(cè)風速度下冷卻塔進風口處的空氣速度矢量圖（a.側(cè)風速度2m/s；b.側(cè)風速度5m/s；c.側(cè)風速度8m/s）]隨著側(cè)風速度增大到5m/s，迎風面的高速氣流區(qū)域進一步擴大，最大流速達到3.5m/s左右，空氣沖向塔筒壁面的角度也更加陡峭，導致壁面附近的氣流擾動加劇。背風面的回流區(qū)域范圍增大，回流速度增加到1.0m/s左右，更多的空氣在背風面形成循環(huán)流動，阻礙了新鮮空氣的進入。側(cè)風方向兩側(cè)的空氣流速梯度進一步增大，使得進風口處的空氣流量分布更加不均勻。當側(cè)風速度增大到8m/s時，迎風面的空氣流速達到4.5m/s左右，高速氣流對塔筒壁面的沖擊更為強烈，在壁面附近形成了較大范圍的湍流區(qū)域。背風面的回流現(xiàn)象更加嚴重，回流速度高達1.5m/s，回流區(qū)域幾乎占據(jù)了背風面進風口的一半面積，嚴重影響了冷卻塔的進風效果。此時，進風口處的空氣流量分布極不均勻，迎風面進風量過大，而背風面進風量過小，導致冷卻塔內(nèi)部的通風嚴重失衡。側(cè)風不僅影響進風口處的風速，還改變了空氣的流向。圖5為不同側(cè)風速度下冷卻塔內(nèi)部空氣流線圖。從圖中可以看出，在側(cè)風作用下，空氣流線發(fā)生了明顯的彎曲和偏斜。在迎風面，空氣流線被側(cè)風推向塔筒壁面，然后沿著壁面向上流動，部分空氣在壁面附近形成漩渦。在背風面，由于回流的存在，空氣流線呈現(xiàn)出復雜的卷曲形狀，部分空氣在背風面底部形成局部的環(huán)流，然后再向上流動。在冷卻塔內(nèi)部中心區(qū)域，空氣流線也受到側(cè)風的影響，出現(xiàn)了一定程度的偏移，使得空氣在塔內(nèi)的流動路徑變得更加曲折，不利于空氣與熱水之間的熱質(zhì)交換。[此處插入圖5：不同側(cè)風速度下冷卻塔內(nèi)部空氣流線圖（a.側(cè)風速度2m/s；b.側(cè)風速度5m/s；c.側(cè)風速度8m/s）]側(cè)風還會在冷卻塔內(nèi)部形成回流區(qū)，對通風性能產(chǎn)生負面影響。圖6給出了側(cè)風速度為5m/s時冷卻塔內(nèi)部回流區(qū)的分布云圖。從圖中可以清晰地看到，在背風面底部，形成了一個較大的回流區(qū)，回流區(qū)的范圍從進風口向上延伸至一定高度，約占塔筒高度的1/4。在回流區(qū)內(nèi)，空氣流速較低，且流動方向不穩(wěn)定，導致空氣在回流區(qū)內(nèi)停留時間較長，無法有效地參與熱質(zhì)交換?；亓鲄^(qū)的存在不僅減少了進入冷卻塔內(nèi)部參與熱質(zhì)交換的新鮮空氣量，還使得冷卻塔內(nèi)部的流場變得更加復雜，增加了空氣流動的阻力，進一步降低了冷卻塔的通風性能。[此處插入圖6：側(cè)風速度為5m/s時冷卻塔內(nèi)部回流區(qū)的分布云圖]側(cè)風對冷卻塔進風口風速、風向及塔內(nèi)回流區(qū)的影響，破壞了冷卻塔內(nèi)部原本較為穩(wěn)定的空氣動力場，導致進風不均勻、通風阻力增大以及熱質(zhì)交換效率降低，從而對冷卻塔的通風性能產(chǎn)生了顯著的負面影響。隨著側(cè)風速度的增大，這些不利影響更加明顯，嚴重制約了冷卻塔的冷卻效果。4.3側(cè)風工況下冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能分析側(cè)風對冷卻塔的傳熱傳質(zhì)性能有著顯著的影響，通過模擬不同側(cè)風速度下冷卻塔的出塔水溫、冷卻數(shù)和劉易斯數(shù)等參數(shù)的變化，能夠深入了解側(cè)風對傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律。圖7展示了不同側(cè)風速度下出塔水溫的變化曲線。從圖中可以明顯看出，隨著側(cè)風速度的增加，出塔水溫呈現(xiàn)出先緩慢上升后急劇上升的趨勢。在側(cè)風速度較低時，如0-2m/s范圍內(nèi)，出塔水溫上升較為緩慢，這是因為此時側(cè)風對冷卻塔內(nèi)流場的干擾相對較小，空氣與熱水之間的熱質(zhì)交換仍能較為穩(wěn)定地進行。當側(cè)風速度超過2m/s后，出塔水溫上升速度加快，在側(cè)風速度達到8m/s時，出塔水溫相較于無風工況下升高了約2.5℃。這是由于側(cè)風速度增大，導致進風口處的空氣流量分布更加不均勻，部分區(qū)域通風量不足，空氣與熱水的接觸時間和接觸面積減少，傳熱傳質(zhì)效率降低，從而使得出塔水溫顯著升高。[此處插入圖7：不同側(cè)風速度下出塔水溫的變化曲線]冷卻數(shù)反映了冷卻塔實現(xiàn)給定冷卻任務所需的熱質(zhì)交換能力，其變化情況如圖8所示。隨著側(cè)風速度的增大，冷卻數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在側(cè)風速度為0m/s時，冷卻數(shù)為3.5，當側(cè)風速度增加到8m/s時，冷卻數(shù)增大到4.5左右。冷卻數(shù)的增大意味著在側(cè)風作用下，冷卻塔需要傳遞更多的熱量才能達到相同的冷卻效果，這表明側(cè)風對冷卻塔的熱質(zhì)交換過程產(chǎn)生了不利影響，使得熱質(zhì)交換難度增加，冷卻塔的性能下降。這是因為側(cè)風破壞了冷卻塔內(nèi)原本較為均勻的流場和溫度場，導致空氣與熱水之間的傳熱傳質(zhì)過程受到阻礙，需要更多的能量來完成冷卻任務。[此處插入圖8：不同側(cè)風速度下冷卻數(shù)的變化曲線]劉易斯數(shù)反映了冷卻塔內(nèi)空氣與水之間傳熱和傳質(zhì)過程的相對強度，其變化曲線如圖9所示。當側(cè)風速度在0-4m/s范圍內(nèi)時，劉易斯數(shù)基本保持穩(wěn)定，略有下降趨勢，這說明在該側(cè)風速度范圍內(nèi)，傳熱和傳質(zhì)過程的相對強度變化不大。當側(cè)風速度超過4m/s后，劉易斯數(shù)開始逐漸增大，表明傳質(zhì)過程受到側(cè)風的影響更為顯著，相對傳熱過程而言，傳質(zhì)能力減弱。這是因為側(cè)風速度過大，使得空氣在塔內(nèi)的流動路徑變得更加復雜，空氣與熱水的接觸情況變差，不利于水分的蒸發(fā)和熱量的傳遞，導致傳質(zhì)效率降低，傳熱和傳質(zhì)過程的平衡被打破。[此處插入圖9：不同側(cè)風速度下劉易斯數(shù)的變化曲線]通過對上述參數(shù)的分析可知，側(cè)風速度在2-6m/s范圍內(nèi)時，對冷卻塔傳熱傳質(zhì)性能的影響最為顯著。在這個速度范圍內(nèi)，出塔水溫上升明顯，冷卻數(shù)增大較快，劉易斯數(shù)也開始發(fā)生較大變化。因此，在冷卻塔的設計和運行中，應重點關(guān)注這一側(cè)風速度范圍，采取有效的措施來降低側(cè)風對冷卻塔性能的不利影響，如優(yōu)化冷卻塔的結(jié)構(gòu)設計、安裝導風裝置等，以提高冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的傳熱傳質(zhì)性能和冷卻效率。4.4側(cè)風對冷卻塔性能影響的敏感性分析為了深入了解側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能影響的內(nèi)在機制，確定各因素對冷卻塔性能影響的相對重要性，本研究選取了側(cè)風速度、風向、冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)（如塔筒高度、進風口高度和面積）等關(guān)鍵因素，進行了全面的敏感性分析。通過量化各因素對冷卻塔性能的影響程度，找出了其中的關(guān)鍵影響因素，為冷卻塔的優(yōu)化設計和運行提供了更為精準的理論依據(jù)。在側(cè)風速度的敏感性分析中，固定其他因素不變，將側(cè)風速度從0m/s逐步增加到10m/s，分析其對冷卻塔性能的影響。結(jié)果顯示，側(cè)風速度對冷卻塔性能的影響呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。隨著側(cè)風速度的增大，冷卻塔的出塔水溫顯著升高，冷卻數(shù)明顯增大，通風量則逐漸減小。在側(cè)風速度為2m/s時，出塔水溫相較于無風工況升高了0.5℃，冷卻數(shù)增大了0.2，通風量減少了5%；當側(cè)風速度增加到8m/s時，出塔水溫升高了2.5℃，冷卻數(shù)增大了1.0，通風量減少了20%。這表明側(cè)風速度的變化對冷卻塔性能的影響較為顯著，是影響冷卻塔性能的關(guān)鍵因素之一。對于側(cè)風風向的敏感性分析，設定側(cè)風速度為5m/s，分別研究風向為0°（垂直于冷卻塔軸線方向）、30°、60°和90°時冷卻塔性能的變化。結(jié)果表明，不同風向?qū)鋮s塔性能的影響存在明顯差異。當風向為0°時，進風口處的空氣流量分布最為不均勻，迎風面進風量過大，背風面進風量過小，導致出塔水溫最高，冷卻數(shù)最大，通風量最??；隨著風向角度的逐漸減小，進風口處的空氣流量分布逐漸趨于均勻，出塔水溫、冷卻數(shù)和通風量的變化也逐漸減小。當風向為90°時，冷卻塔的性能相對較好，出塔水溫相較于0°風向時降低了0.8℃，冷卻數(shù)減小了0.5，通風量增加了10%。這說明側(cè)風風向?qū)鋮s塔性能也有著重要影響，在冷卻塔的設計和運行中，需要充分考慮當?shù)氐闹鲗эL向，以減少側(cè)風對冷卻塔性能的不利影響。在冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析中，首先研究了塔筒高度的影響。保持其他參數(shù)不變，將塔筒高度從120m分別調(diào)整為100m和140m，分析其對冷卻塔性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著塔筒高度的增加，冷卻塔的抽吸能力增強，通風量增大，出塔水溫降低，冷卻數(shù)減小。當塔筒高度增加到140m時，通風量增加了15%，出塔水溫降低了1.2℃，冷卻數(shù)減小了0.6；而當塔筒高度降低到100m時，通風量減少了10%，出塔水溫升高了1.0℃，冷卻數(shù)增大了0.5。這表明塔筒高度對冷卻塔性能有較為顯著的影響，適當增加塔筒高度有利于提高冷卻塔的性能。接著分析進風口高度和面積對冷卻塔性能的影響。將進風口高度從15m分別調(diào)整為12m和18m，進風口面積從8000m2分別調(diào)整為7000m2和9000m2。結(jié)果顯示，進風口高度和面積的變化對冷卻塔性能有一定影響。當進風口高度降低到12m時，進風口處的空氣流速增大，阻力增加，通風量減少，出塔水溫升高，冷卻數(shù)增大；而當進風口高度增加到18m時，通風量有所增加，出塔水溫降低，冷卻數(shù)減小。進風口面積的變化也呈現(xiàn)類似的趨勢，增大進風口面積有利于增加通風量，降低出塔水溫，減小冷卻數(shù)；減小進風口面積則會導致通風量減少，出塔水溫升高，冷卻數(shù)增大。但與側(cè)風速度和塔筒高度相比，進風口高度和面積對冷卻塔性能的影響相對較小。通過敏感性分析可知，側(cè)風速度和塔筒高度是影響冷卻塔性能的關(guān)鍵因素。在冷卻塔的設計和運行中，應重點關(guān)注側(cè)風速度的變化，合理設計塔筒高度，以提高冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的性能。還應綜合考慮側(cè)風風向、進風口高度和面積等因素的影響，通過優(yōu)化冷卻塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行方式，降低側(cè)風對冷卻塔性能的不利影響，實現(xiàn)冷卻塔的高效穩(wěn)定運行。五、改善側(cè)風影響的措施與效果評估5.1擋風墻設置方案為了有效降低側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的不利影響，本研究提出在冷卻塔進風口四周設置擋風墻的方案。擋風墻作為一種常用的控風裝置，能夠通過阻擋和引導氣流，改變冷卻塔周圍的空氣流動狀態(tài)，從而改善冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的性能。在擋風墻的高度設計方面，依據(jù)冷卻塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和側(cè)風影響的范圍進行確定。一般來說，擋風墻的高度應足夠阻擋側(cè)風直接吹入進風口，同時又不能過高，以免影響冷卻塔的正常通風。通過大量的數(shù)值模擬和工程實踐經(jīng)驗總結(jié)，擋風墻高度通常在進風口高度的0.5-1.5倍范圍內(nèi)選擇較為合適。對于本研究中的冷卻塔，進風口高度為15m，因此擋風墻高度初步設定為8-20m。在這個高度范圍內(nèi)，擋風墻能夠有效地削弱側(cè)風對進風口的沖擊，減少進風口處的氣流擾動和回流現(xiàn)象，使空氣能夠更均勻地進入冷卻塔。當擋風墻高度為12m時，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，進風口處的氣流速度分布更加均勻，迎風面和背風面的風速差值明顯減小，有效改善了冷卻塔的進風條件。擋風墻的長度則根據(jù)冷卻塔的周長和實際需求進行確定。考慮到側(cè)風對冷卻塔不同部位的影響程度不同，在迎風面和側(cè)風方向兩側(cè)，擋風墻需要有足夠的長度來阻擋側(cè)風。一般來說，擋風墻長度應至少覆蓋冷卻塔周長的1/2-2/3。在本研究中，冷卻塔底部直徑為100m，周長約為314m，因此擋風墻長度設定為160-210m。這樣的長度能夠在關(guān)鍵部位有效地阻擋側(cè)風，減少側(cè)風對進風口的影響，提高冷卻塔的通風效率。當擋風墻長度為180m時，模擬結(jié)果表明，冷卻塔內(nèi)部的流場更加穩(wěn)定，回流區(qū)域明顯減小，通風量有所增加，冷卻塔的冷卻性能得到了一定程度的提升。擋風墻與冷卻塔進風口的夾角也是一個重要的設計參數(shù)。這個夾角的選擇需要綜合考慮側(cè)風的方向和強度，以及冷卻塔的結(jié)構(gòu)特點。通過數(shù)值模擬分析不同夾角對冷卻塔性能的影響，發(fā)現(xiàn)當夾角在30°-60°之間時，能夠較好地引導氣流，減少側(cè)風對進風口的不利影響。當夾角為45°時，擋風墻能夠?qū)?cè)風有效地引導到冷卻塔的兩側(cè)，避免側(cè)風直接吹入進風口，使進風口處的空氣流量分布更加均勻，從而提高冷卻塔的冷卻效率。在實際工程中，還需要根據(jù)當?shù)氐闹鲗эL向和風速等氣象條件，對擋風墻的夾角進行進一步的優(yōu)化調(diào)整。5.2導流板應用除了設置擋風墻外，在冷卻塔內(nèi)部或外部安裝導流板也是一種有效的改善側(cè)風影響的措施。導流板能夠通過改變氣流的方向和分布，引導空氣更均勻地進入冷卻塔，減少側(cè)風對冷卻塔性能的不利影響。在冷卻塔外部安裝導流板時，通常將其設置在進風口的外側(cè)。導流板的形狀可以根據(jù)實際需求進行設計，常見的形狀有平板型、弧形和折板型等。平板型導流板結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝和制造，但其導風效果相對較為單一?；⌒螌Я靼迥軌蚋玫匾龑饬鳎箽饬餮刂鴮Я靼宓幕《茸匀坏剡M入冷卻塔，減少氣流的沖擊和擾動。折板型導流板則通過多次改變氣流方向，進一步增強了對氣流的引導作用，能夠使空氣更均勻地分布在進風口處。在某電廠的實際應用中，采用了弧形導流板，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，安裝導流板后，進風口處的空氣流量分布均勻性得到了顯著改善，迎風面和背風面的風速差值減小了30%左右，冷卻塔的冷卻效率提高了10%-15%。導流板的位置和安裝角度對其導風效果有著關(guān)鍵影響。導流板的位置應根據(jù)側(cè)風的方向和冷卻塔的結(jié)構(gòu)特點進行合理選擇。一般來說，導流板應盡量靠近進風口，以最大限度地發(fā)揮其導風作用。導流板與進風口的距離一般在0.5-2倍進風口高度范圍內(nèi)較為合適。當距離過近時，可能會導致導流板對進風口的遮擋，影響進風量；當距離過遠時，導風效果會減弱。導流板的安裝角度也是一個重要參數(shù)。通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，當導流板與側(cè)風方向的夾角在30°-60°之間時，能夠較好地引導氣流進入冷卻塔，使進風口處的空氣流量分布更加均勻。當夾角為45°時，導風效果最佳，此時進風口處的空氣流量不均勻系數(shù)降低了25%左右，冷卻塔的出塔水溫降低了1-2℃。在冷卻塔內(nèi)部安裝導流板時，可將其設置在填料區(qū)或雨區(qū)。在填料區(qū)安裝導流板，能夠改變空氣在填料區(qū)的流動路徑，增加空氣與熱水的接觸面積和接觸時間，提高傳熱傳質(zhì)效率。導流板可以引導空氣以螺旋狀或曲折的路徑流動，使空氣在填料區(qū)內(nèi)充分混合，避免出現(xiàn)局部通風不良的區(qū)域。在雨區(qū)安裝導流板，則可以改變雨滴的下落軌跡，使雨滴與空氣的接觸更加充分，增強雨區(qū)的傳熱傳質(zhì)效果。導流板可以將雨滴分散成更小的水滴，增加水滴的表面積，促進水分的蒸發(fā)和熱量的傳遞。通過數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)，在填料區(qū)和雨區(qū)分別安裝導流板后，冷卻塔的冷卻數(shù)減小了0.5-1.0，劉易斯數(shù)更加接近1，表明傳熱傳質(zhì)過程得到了明顯改善，冷卻塔的性能得到了有效提升。5.3優(yōu)化措施的數(shù)值模擬驗證為了驗證擋風墻和導流板對改善側(cè)風影響、提高冷卻塔性能的實際效果，運用之前建立的數(shù)值模型，對設置擋風墻和導流板后的冷卻塔進行模擬分析，并與未采取優(yōu)化措施的原始工況進行對比。圖10展示了設置擋風墻后冷卻塔進風口處的空氣速度矢量圖。與圖4中未設置擋風墻的情況相比，在側(cè)風速度為5m/s時，設置高度為12m、長度為180m、與進風口夾角為45°的擋風墻后，迎風面的高速氣流得到了有效阻擋和引導，流速分布更加均勻，最大流速從3.5m/s降低到2.5m/s左右，減少了氣流對塔筒壁面的沖擊。背風面的回流現(xiàn)象明顯減弱，回流區(qū)域范圍縮小，回流速度從1.0m/s降低到0.5m/s左右，更多的新鮮空氣能夠進入冷卻塔，改善了進風口處的通風條件。[此處插入圖10：設置擋風墻后冷卻塔進風口處的空氣速度矢量圖（側(cè)風速度5m/s）]圖11為安裝導流板后冷卻塔內(nèi)部空氣流線圖。在側(cè)風速度為5m/s時，安裝在進風口外側(cè)的弧形導流板有效地改變了氣流方向，使空氣更加均勻地進入冷卻塔。從圖中可以看出，空氣流線變得更加規(guī)則，在迎風面和背風面的分布更加均勻，減少了氣流的偏斜和漩渦形成，有利于空氣與熱水在塔內(nèi)充分接觸，提高熱質(zhì)交換效率。[此處插入圖11：安裝導流板后冷卻塔內(nèi)部空氣流線圖（側(cè)風速度5m/s）]表1給出了優(yōu)化前后冷卻塔性能指標的對比數(shù)據(jù)。從表中可以看出，在側(cè)風速度為5m/s時，設置擋風墻和導流板后，出塔水溫從33.5℃降低到31.0℃，降低了2.5℃，表明冷卻塔的冷卻效果得到了顯著提升。冷卻數(shù)從4.2減小到3.8，說明在相同的冷卻任務下，冷卻塔的熱質(zhì)交換難度降低，熱質(zhì)交換過程更加高效。通風量從300m3/s增加到350m3/s，增加了50m3/s，提高了16.7%，為熱質(zhì)交換提供了更充足的冷空氣，進一步增強了冷卻塔的冷卻能力。工況出塔水溫（℃）冷卻數(shù)通風量（m3/s）優(yōu)化前33.54.2300優(yōu)化后31.03.8350通過上述數(shù)值模擬驗證可知，設置擋風墻和導流板能夠有效改善側(cè)風對自然通風濕式冷卻塔性能的不利影響。擋風墻通過阻擋和引導側(cè)風，減少了進風口處的氣流擾動和回流現(xiàn)象，使進風更加均勻；導流板則改變了氣流方向，優(yōu)化了冷卻塔內(nèi)部的流場分布，促進了空氣與熱水的熱質(zhì)交換。兩者的協(xié)同作用顯著提高了冷卻塔在側(cè)風環(huán)境下的冷卻效率和通風性能，為冷卻塔的優(yōu)化設計和運行提供了有效的技術(shù)手段。在實際工程應用中，可以根據(jù)具體的側(cè)風條件和冷卻塔結(jié)構(gòu)，合理設計擋風墻和導流板的參數(shù)，以最大限度地發(fā)揮其改善側(cè)風影響的作用，實現(xiàn)冷卻塔的高效穩(wěn)定運行。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過建立自然通風濕式冷卻塔的數(shù)值模型，深入研究了側(cè)風對冷卻塔性能的影響，并提出了相應的改善措施。研究結(jié)果表明，側(cè)風會顯著改變冷卻塔內(nèi)部的空氣動力場和傳熱傳質(zhì)特性，進而影響冷卻塔的性能。在空氣動力場方面，側(cè)風導致冷卻塔進風口處的空氣流速和流向發(fā)生顯著變化。迎風面空氣流速增大，背風面出現(xiàn)回流現(xiàn)象，且隨著側(cè)風速度的增加，這種不均勻性更加明顯。側(cè)風還在冷卻塔內(nèi)部形成回流區(qū)，阻礙了新鮮空氣的進入，降低了通風性能。在傳熱傳質(zhì)性能方面，隨著側(cè)風速度的增加，出塔水溫逐漸升高，冷卻數(shù)增