障礙物對中央空調冷卻塔群氣流影響模擬

張炳晴 鄧亞宏 李昌 伍學智 鐘劍 姜昌偉*

1長沙理工大學能源與動力工程學院

2中建三局第二建設工程有限責任公司

0 引言

冷卻塔是中央空調系統重要組成部分，其運行能耗占空調系統運行能耗的20%[1]。冷卻塔運行性能的好壞直接影響著冷卻水的冷卻效果，進而對空調系統冷水機組的制冷效果和能耗產生不利影響，而冷卻塔熱羽流返混對冷卻塔運行能耗有重要影響，因此對冷卻塔熱羽流返混現象的研究[2-6]顯得尤為重要。

近年來空調冷卻塔安裝位置的限制，出現熱羽流返混現象的問題越來越嚴重。現階段對于空調冷卻塔的返混現象研究較少，因此，本文針對空調冷卻塔熱羽流返混現象開展了冷卻塔塔群氣流熱濕傳遞規律的研究。

1 物理模型

1.1 幾何模型

根據現有高層建筑冷卻塔群的具體安裝情況，建立了高層建筑室外濕式空調冷卻塔風壓驅動自然通風幾何模型。如圖1所示，三臺冷卻塔依次并排安裝于高層建筑樓頂，高層建筑樓頂四周圍墻高1 m，冷卻塔兩側進風，出風口位于上端，障礙物位于冷卻塔背風面。

圖1 幾何模型

2 模擬工況與評價指標

2.1 模擬工況

考慮如下影響因素：冷卻塔出風口有無導風箱，障礙物位置，障礙物與冷卻塔進風口間距離，障礙物高度。障礙物的高度依次為2m、5m、7m、9m、11m，障礙物與冷卻塔進風口間距離依次為2m、3m、4m、5m、6m。

由于實際冷卻塔內部流動與換熱過程十分復雜，因此對冷卻塔內部流動換熱不進行模擬，主要研究冷卻塔外部熱濕空氣流動。由于采用風壓驅動自然對流，因此整個外部流場設置為穩態流動，來流空氣迎風面選用速度入口邊界條件，其他外部大氣邊界選用壓力入口邊界條件，壁面設置為無滑移邊界條件，冷卻塔進風口和排風口設置為速度入口邊界條件。參照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范（GB50376-2012）》[7]，確定邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

2.2 評價指標

圖2為單個冷卻塔二維模型。選用熱濕氣流的返混率和平均含濕量作為分析冷卻塔熱工性能的指標。

圖2 單個冷卻塔二維模型

返混率采用來流風溫度、冷卻塔進風口進風溫度、排風口排風溫度表示，具體表達式如下：

式中：η為熱濕空氣返混率；Tin冷卻塔進風口加權平均進風溫度；Tout排風口加權平均排風溫度；T∞則為來流風溫度。

進風口加權平均含濕量可以采用方程計算，如式（2）所示：

式中：fw,ave為進風口加權平均含濕量；fw,i和Ai分別為冷卻塔進進風口的含濕量和面積。

3 模擬結果分析與討論

3.1 障礙物高度的影響

保持障礙物與背風面進風口距離不變，分析障礙物高度對熱濕空氣傳遞規律的影響。圖3給出了無導風筒時障礙物與冷卻塔進風口距離為2m下障礙物高度對流動與濕度分布規律的影響。從圖中可以看出，在障礙物與冷卻塔背風面間的區域均產生回流現象，回流現象產生一方面是由于障礙物阻礙了氣流的流動，另一方面是由障礙物前冷卻塔排風口排風射流和進風口抽吸流相互作用產生，導致進風口壓力小于外界壓力而產生回流。回流現象隨著障礙物高度增加越來越明顯。隨著障礙物高度增加障礙物背面的渦流逐漸減弱而渦流區域增大。圖4給出了有導風筒時障礙物與冷卻塔進風口距離為2m下障礙物高度對流動與濕度分布規律的影響。與無導風筒相比，冷卻塔與障礙物之間區域的渦流現象明顯減弱，這是由于導風筒增加了冷卻塔排風高度從而使二次渦流遠離冷卻塔進風口。當障礙物高度增加，雖然二次渦流強度增加但障礙物背面二次渦流強度混合影響減弱。

圖3 流線與濕度分布（無導風筒，L=2 m）

圖4 流線與濕度分布（有導風筒，L=2 m）

圖5與圖6分別顯示了有無導風筒時障礙物高度對冷卻塔背風面進風口平均含濕量與平均返混率的影響。圖5（a）與圖6（a）表明當無導風筒時冷卻塔背風面進風口平均含濕量與平均返混率隨障礙物高度的增加而呈上升趨勢，當冷卻塔與障礙物間距離為2m，障礙物高度為11m時，平均含濕量最大值和平均返混率最大值分別達到0.0182與1.9%。這是由于障礙物頂部區域出現冷卻塔迎風面環境風和冷卻塔排風口排風交互作用而產生的二次流，同時由于氣體的重力下沉，導致部分熱濕空氣回流至冷卻塔背風面進風口。此外，由于冷卻塔入口的吸力作用，隨著障礙物高度的增加，冷卻塔氣流的返混變得更加嚴重。當距離達到6m時，隨著障礙物高度增加，平均含濕量趨于常數，約為0.0178，接近大氣含濕量。當有導風筒時，如圖5（b）與圖6（b）所示，平均含濕量和平均返混率小于無導風筒下的平均含濕量與平均返混率，且平均含濕量比平均返混率變化更為明顯，這主要是由于冷卻塔排風口安裝導風筒后，冷卻塔出口排風的動量增大的緣故。

圖5 冷卻塔背風面進風口平均含濕量隨障礙物高度變化

圖6 冷卻塔背風面進風口平均返混率隨障礙物高度變化

3.2 冷卻塔與障礙物間距離的影響

保持障礙物高度不變，分析冷卻塔與障礙物間距離對熱濕空氣傳遞規律的影響。圖7與圖8給出了無導風筒時障礙物高度分別為3m與11m下流線與濕度分布隨著障礙物距離的變化。當障礙物高度為3m時，障礙物與冷卻塔背風面之間區域回流現象不明顯，這是由于障礙物的高度比較低，對氣流的阻礙作用不大。隨著障礙物距離增加，氣體混合區域逐漸增大，回流現象也無明顯變化。因此，平均含濕量基本保持不變。當障礙物高度為11m時，在冷卻塔和障礙物頂部之間產生了渦流，渦流現象十分明顯。當距離增大時，障礙物背面的渦流逐漸減弱，渦流區域增大，二次流不會流向冷卻塔背風面進口。

圖7 流線與濕度分布（無導風筒，H=3 m）

圖8 流線與濕度分布（無導風筒，H=11 m）

圖9與圖10分別給出了冷卻塔背風面進風口平均含濕量與平均返混率隨障礙物距離變化。從圖9（a）可以看出，當障礙物高度一定時，冷卻塔背風面進風口平均含濕量隨著障礙物距離的增加而減小，并逐漸達到穩定值0.01785。由圖10（a）可知，當障礙物高度一定時，冷卻塔背風面進風口平均返混率隨著障礙物距離的增加而減小，當距離達到 5 m時平均返混率趨于穩定，約為0.2%。這主要是因為隨著距離增加，氣流流動空間越來越大，產生的一次渦流越來越分散，從而造成平均含濕量隨著障礙物距離的增加而逐漸減小。對比圖9 與圖10，冷卻塔安裝了導風筒后，平均含濕量與平均返混率基本上小于無導風筒情形。

圖9 冷卻塔背風面進風口平均含濕量隨障礙物距離變化

圖10 冷卻塔背風面進風口平均返混率隨障礙物距離變化

4 結論

本文對冷卻塔群進風口處有障礙物作用下強制通風冷卻塔周圍熱羽流的返混現象進行了研究。研究分析了障礙物高度，冷卻塔和障礙物間距離以及冷卻塔兩側障礙物和背風面障礙物對熱時傳遞規律的影響。結論如下：

1）冷卻塔沒有安裝導風筒時，冷卻塔與障礙物距離較小時，平均含濕量和平均返混率隨著障礙物高度的增加而增大。然而，隨著冷卻塔和障礙物距離的增大，障礙物高度的影響減小。

2）冷卻塔安裝導風筒時，冷卻塔和障礙物距離較小時，平均含濕量和平均返混率增加得很緩慢。冷卻塔和障礙物距離較大時，平均含濕量和平均返混率基本不隨冷卻塔和障礙物距離變化而變化。

3）不管冷卻塔有沒有安裝導風筒，冷卻塔排風對冷卻塔前部區域平均含濕量與平均返混率無影響，而冷卻塔后部區域平均含濕量和平均返混率隨著障礙物高度的增加而增大。