基于CFD的某大型冷卻塔群氣流組織分布研究

司子輝 曹志芳

(1.廣州華夏職業(yè)學(xué)院 廣東廣州 510935； 2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 廣東廣州 510935)

0 引言

冷卻塔對中央空調(diào)效率的影響最大，冷卻塔通常應(yīng)放在通風(fēng)良好的地方,如天面,要求進排風(fēng)口氣流通暢，換熱良好。但是，放在天面的冷卻塔會產(chǎn)生噪聲污染，影響周圍環(huán)境，而且還影響整個城市建筑美觀。近年來,國家對特大城市生活環(huán)境日益關(guān)注，禁止對城市環(huán)境造成重大污染的設(shè)備布置在室外。因此，超高層建筑的冷卻塔群就被放置在室內(nèi)或機房內(nèi)等相對較封閉的空間內(nèi)。然而，冷卻塔群布置在房間內(nèi)部，如果設(shè)置不夠合理，勢將導(dǎo)致熱濕空氣的返混現(xiàn)象，造成空調(diào)系統(tǒng)換熱效率降低。當(dāng)冷卻塔組合布置時，回流和干擾經(jīng)常是同時存在的，兩者將同時影響冷卻塔周圍的環(huán)境，進而影響冷卻塔的換熱效率[1-2]。本文利用計算流體力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)軟件對深圳市某超高層建筑機房內(nèi)部的冷卻塔群布置進行研究分析，以達到最佳布置塔群的目的，從而設(shè)計出高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

1 工程概況

深圳市某建筑功能為寫字樓，周圍與大氣相通，中心部分是電梯通道。冷卻塔設(shè)備層在六～九層：六～七層布置冷卻塔設(shè)備，八～九層布置靜壓箱，進風(fēng)口通過進風(fēng)筒引入新風(fēng)，出風(fēng)口布置在靜壓箱外側(cè)，方便排出換熱后的空氣。冷卻塔設(shè)備層呈八角形，機房左側(cè)有3臺冷卻塔，機房右側(cè)有6臺冷卻塔，機房北側(cè)有4臺冷卻塔，風(fēng)機單臺風(fēng)量450 000m3/h，四角分別開有進風(fēng)口:寬×高為9×9m，三面出風(fēng)，出風(fēng)口:寬×高為8×8.7m。冷卻塔安裝在3m高的鋼架基礎(chǔ)上。冷卻塔的出口余壓180Pa，如圖1所示。

圖1 冷卻塔平面圖

2 物理模型

根據(jù)冷卻塔群的實際尺寸，對冷卻塔機房布置按實際尺寸建模，中心部分是電梯通道。由于研究的重點是氣流組織的分布情況，忽略電梯通道建模進風(fēng)口。由于百葉阻擋送風(fēng)，按50%建模。影響內(nèi)部氣流組織的主要因素是3根水管，分別為冷卻水供回水管和一根平衡管。其他一些小的水泵和閥門水表等小件設(shè)備對氣流組織影響較小，忽略其物理模型，如圖2所示[3-6]。

圖2 機房結(jié)構(gòu)簡化模型圖

3 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)空氣采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣熱擴散系數(shù)為0.003 35；本研究模擬計算采用κ-ε模型，計算在三維直角坐標(biāo)中進行，三維不可壓、穩(wěn)態(tài)、湍流流動。用Simple算法求解上述控制方程的離散方程組，將能量方程與動量方程進行耦合求解。采用CFD模擬計算技術(shù)，對建好的模型求解分析。各控制方程寫成式(1)～式(5)形式[7-8]。質(zhì)量守恒方程(conservation of mass)：

(1)

動量守恒方程(conservation of momentum)

(2)

能量守恒方程(conservation of energy)

(3)

湍流能量守恒方程(turbulent kinetic equation)

(4)

(5)

式中：

ρ為流體密度，kg/m3；

ui為流體速度；

μ為流體的動力粘度m2/s；

P為流體的壓力Pa；

T流體的溫度℃；

k為導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·k)；

cp比熱容kj/(kg·K)；

μt紊流度；

Gk為平均梯度產(chǎn)生的紊動能kj；

Gb浮生力產(chǎn)生的紊動能kj；

ε紊流耗散率；

Ym為可壓縮紊流脈動擴張對總紊流耗散率；

Sk為k的源項；

C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)。

計算數(shù)學(xué)模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，各方程的離散化均采用二階迎風(fēng)格式，同時為保證求解精度，在求解過程中，當(dāng)連續(xù)性方程和動量方程的殘差達到10-3，能量方程的殘差達到10-6，認為計算收斂[9]。

3.1 邊界條件

以冷卻塔理想工況下的參數(shù)作為邊界條件求解計算：環(huán)境溫度33℃(氣象站數(shù)據(jù))；冷卻塔出口溫度37℃。在設(shè)置邊界條件時，考慮湍流強度I(Turbulent Intensity)和水力半徑D(Hydraulic Diamter)。冷卻塔群邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 冷卻塔群氣流組織邊界條件設(shè)置數(shù)據(jù)

如圖2所示，風(fēng)箱進風(fēng)口也做向下延伸到9m處，設(shè)置在排風(fēng)管底部，排風(fēng)口尺寸有兩種規(guī)格，分別為1.1m×8.7m和8m×8.7m，排風(fēng)主要是靠風(fēng)箱排出。考慮到進風(fēng)口消聲器阻力的影響，經(jīng)計算校核，進風(fēng)口取實際值的50%建模。

根據(jù)現(xiàn)有冷卻塔群的布置方案，對整個機房內(nèi)部進行速度場和溫度場分析；根據(jù)貝努力方程和傳熱學(xué)熱量與流量的關(guān)系[8-10]，計算出需要的速度和流量的分布情況。通過邊界條件試算，滿足機外余壓的條件下，風(fēng)量也滿足設(shè)計要求。

4 模擬方案計算結(jié)果分析

如圖3～圖4所示，在z=3m處，冷卻塔進風(fēng)口處，速度明顯存在過大，在東南角處的進風(fēng)最大風(fēng)速達到6m/s。滿足設(shè)計風(fēng)量的同時，也會產(chǎn)生很大的噪聲。

圖3 冷卻塔速度進風(fēng)口,z=3m

圖4 冷卻塔速度矢量進風(fēng)口,z=3m

如圖5～圖6所示，在西側(cè)y=25m處，即2號塔，冷卻塔進出風(fēng)口處按假定的速度設(shè)定，機房內(nèi)部的風(fēng)速分布合理，不存在返混回流現(xiàn)象。說明假設(shè)合理，也驗證了該模型正確性。

圖5 西側(cè)剖面速度場

圖6 西側(cè)剖面速度矢量場

如圖7～圖8所示，在北側(cè)y=25m處，即4號塔和6號塔，冷卻塔進風(fēng)口出風(fēng)口處按假定的速度設(shè)定，機房內(nèi)部的風(fēng)速分布合理，不存在返混回流現(xiàn)象。

圖7 北側(cè)剖面速度場

圖8 北側(cè)剖面速度矢量場

如圖9～圖10所示，在東側(cè)y=25m處，即9號塔和12號塔，冷卻塔進風(fēng)口、出風(fēng)口處按假定的速度設(shè)定，機房內(nèi)部的風(fēng)速分布合理，不存在返混回流現(xiàn)象。

圖9 東側(cè)剖面速度場

圖10 東側(cè)剖面速度矢量場

圖11 冷卻塔西北角立面進口速度場

圖12 冷卻塔西北角立面進口速度矢量場

如圖11～圖12所示，西北角立面圖，可以很清楚地觀察到進口的風(fēng)速最大值6.5m/s，基本滿足設(shè)計要求，但會有一定的噪聲存在，對噪聲的影響程度，還需現(xiàn)場測試和進一步研究。

如圖13～圖14所示，東北角立面圖，進風(fēng)口的開口尺寸大小也能滿足設(shè)計風(fēng)量要求。

圖13 冷卻塔東北角立面進口速度場

圖14 冷卻塔東北角立面進口速度矢量場

圖15 冷卻塔西南角立面進口速度場

如圖15～圖16所示，西南角立面圖，進風(fēng)口的開口尺寸大小也能滿足設(shè)計風(fēng)量要求。

圖16 冷卻塔西南角立面進口速度矢量場

如圖17～圖18所示，東南角立面圖，進風(fēng)口的開口尺寸大小也能滿足設(shè)計風(fēng)量要求。

圖17 冷卻塔東南角立面進口速度場

圖18 冷卻塔東南角立面進口速度矢量場

4.1 數(shù)值計算結(jié)果分析

由于溫度分布需要計算水流量和返混率，以后會進一步深入研究，暫時只考慮速度分布情況分析。從圖3～圖4機房立面圖(z=3m)和圖5～圖10塔群機房界面速度分布所示，冷卻塔的進風(fēng)口的風(fēng)量是滿足額定風(fēng)量的。從圖11～圖18塔群機房入口速度立面圖分布所示，當(dāng)冷卻塔進出風(fēng)口的速度按照假設(shè)設(shè)定時，四角開口的風(fēng)速都能達到4.2m/s。經(jīng)校核計算，風(fēng)機進風(fēng)口的風(fēng)量為50.3萬m3/h，完全達到設(shè)計規(guī)范的額定風(fēng)量[11]。利用CFD對復(fù)雜環(huán)境下機房進行分析合理布置風(fēng)口，提高了冷卻塔的換熱效率。

4.2 速度結(jié)果分析

如圖3～圖4所示，在z=3m處，冷卻塔進風(fēng)口處，速度明顯存在過大，在東南角處的進風(fēng)最大風(fēng)速達到6m/s。滿足設(shè)計風(fēng)量的同時，也會產(chǎn)生很大的噪聲。

綜上，假定冷卻塔口風(fēng)速條件下的機房進風(fēng)口處速度和風(fēng)量詳見表2。

表2 假定冷卻塔風(fēng)速條件下的機房進風(fēng)口處速度和風(fēng)量

注：1#東側(cè)帶防白霧盤管，2#東側(cè)不帶防白霧盤管,風(fēng)機進風(fēng)口靜壓差取值范圍內(nèi)的數(shù)值是其中有一臺塔的風(fēng)量達到額定風(fēng)量需要的參數(shù)。

5 現(xiàn)場測試

測試工況要求：①檢查冷卻水系統(tǒng)閥門，保證系統(tǒng)貫通，將系統(tǒng)補滿水；②開啟單臺冷卻水泵，調(diào)整冷卻水流量達到冷卻塔額定流量，即1000m3/h；③開啟單臺冷卻塔的風(fēng)機，調(diào)整風(fēng)機頻率到額定頻率，即50Hz。

2018年6月23日，工程項目附近氣象站數(shù)據(jù)；環(huán)境風(fēng)速3．7m/s；環(huán)境溫度33℃；冷卻塔出口溫度37℃。

由測試工程師和施工單位技術(shù)員一起，用風(fēng)速測試儀，采用用熱球風(fēng)速儀測定風(fēng)口平面風(fēng)口風(fēng)量。

如表3所示，測試結(jié)果顯示冷塔風(fēng)量基本達到額定風(fēng)量，其中5#冷卻塔實測風(fēng)量比額定風(fēng)量偏大8%，6#冷卻塔偏小2%，13#冷卻塔偏小8%，偏差范圍在±10%以內(nèi)，符合設(shè)計要求。

表3 冷塔風(fēng)量測試數(shù)據(jù)表

從實驗測試數(shù)據(jù)顯示，5號塔速度較高和13號塔速度較低，塔的布置相對緊密，有部分換熱后的氣流回到了冷卻塔的入口，造成了回流現(xiàn)象。為進一步分析確認這種現(xiàn)象，又截取了四角進風(fēng)口處的流速分布情況，基本都能滿足設(shè)計風(fēng)量[10]。

6 結(jié)語

本文建立了簡化的機房內(nèi)部模型，并且利用仿真軟件模擬了機房半封閉空間的四角進風(fēng)后的速度場分布情況，校核了機房的四角進風(fēng)口處的風(fēng)量完全滿足設(shè)計風(fēng)量。通過現(xiàn)場測試風(fēng)量的方法，測試了冷卻塔群的氣流組織分布情況，驗證了實際風(fēng)量滿足設(shè)計風(fēng)量，同時也驗證了該方法的正確性，為類似工程提供參考依據(jù)。