障礙物對(duì)中央空調(diào)冷卻塔群氣流影響模擬

張炳晴 鄧亞宏 李昌 伍學(xué)智 鐘劍 姜昌偉*

1長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

2中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司

0 引言

冷卻塔是中央空調(diào)系統(tǒng)重要組成部分，其運(yùn)行能耗占空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的20%[1]。冷卻塔運(yùn)行性能的好壞直接影響著冷卻水的冷卻效果，進(jìn)而對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組的制冷效果和能耗產(chǎn)生不利影響，而冷卻塔熱羽流返混對(duì)冷卻塔運(yùn)行能耗有重要影響，因此對(duì)冷卻塔熱羽流返混現(xiàn)象的研究[2-6]顯得尤為重要。

近年來空調(diào)冷卻塔安裝位置的限制，出現(xiàn)熱羽流返混現(xiàn)象的問題越來越嚴(yán)重。現(xiàn)階段對(duì)于空調(diào)冷卻塔的返混現(xiàn)象研究較少，因此，本文針對(duì)空調(diào)冷卻塔熱羽流返混現(xiàn)象開展了冷卻塔塔群氣流熱濕傳遞規(guī)律的研究。

1 物理模型

1.1 幾何模型

根據(jù)現(xiàn)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(diào)冷卻塔風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)幾何模型。如圖1所示，三臺(tái)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(cè)進(jìn)風(fēng)，出風(fēng)口位于上端，障礙物位于冷卻塔背風(fēng)面。

圖1 幾何模型

2 模擬工況與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 模擬工況

考慮如下影響因素：冷卻塔出風(fēng)口有無導(dǎo)風(fēng)箱，障礙物位置，障礙物與冷卻塔進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)口間距離依次為2m、3m、4m、5m、6m。

由于實(shí)際冷卻塔內(nèi)部流動(dòng)與換熱過程十分復(fù)雜，因此對(duì)冷卻塔內(nèi)部流動(dòng)換熱不進(jìn)行模擬，主要研究冷卻塔外部熱濕空氣流動(dòng)。由于采用風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)自然對(duì)流，因此整個(gè)外部流場(chǎng)設(shè)置為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，來流空氣迎風(fēng)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(shè)置為無滑移邊界條件，冷卻塔進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界條件。參照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50376-2012）》[7]，確定邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖2為單個(gè)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(biāo)。

圖2 單個(gè)冷卻塔二維模型

返混率采用來流風(fēng)溫度、冷卻塔進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)口排風(fēng)溫度表示，具體表達(dá)式如下：

式中：η為熱濕空氣返混率；Tin冷卻塔進(jìn)風(fēng)口加權(quán)平均進(jìn)風(fēng)溫度；Tout排風(fēng)口加權(quán)平均排風(fēng)溫度；T∞則為來流風(fēng)溫度。

進(jìn)風(fēng)口加權(quán)平均含濕量可以采用方程計(jì)算，如式（2）所示：

式中：fw,ave為進(jìn)風(fēng)口加權(quán)平均含濕量；fw,i和Ai分別為冷卻塔進(jìn)進(jìn)風(fēng)口的含濕量和面積。

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 障礙物高度的影響

保持障礙物與背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口距離不變，分析障礙物高度對(duì)熱濕空氣傳遞規(guī)律的影響。圖3給出了無導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)障礙物與冷卻塔進(jìn)風(fēng)口距離為2m下障礙物高度對(duì)流動(dòng)與濕度分布規(guī)律的影響。從圖中可以看出，在障礙物與冷卻塔背風(fēng)面間的區(qū)域均產(chǎn)生回流現(xiàn)象，回流現(xiàn)象產(chǎn)生一方面是由于障礙物阻礙了氣流的流動(dòng)，另一方面是由障礙物前冷卻塔排風(fēng)口排風(fēng)射流和進(jìn)風(fēng)口抽吸流相互作用產(chǎn)生，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口壓力小于外界壓力而產(chǎn)生回流。回流現(xiàn)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(qū)域增大。圖4給出了有導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)障礙物與冷卻塔進(jìn)風(fēng)口距離為2m下障礙物高度對(duì)流動(dòng)與濕度分布規(guī)律的影響。與無導(dǎo)風(fēng)筒相比，冷卻塔與障礙物之間區(qū)域的渦流現(xiàn)象明顯減弱，這是由于導(dǎo)風(fēng)筒增加了冷卻塔排風(fēng)高度從而使二次渦流遠(yuǎn)離冷卻塔進(jìn)風(fēng)口。當(dāng)障礙物高度增加，雖然二次渦流強(qiáng)度增加但障礙物背面二次渦流強(qiáng)度混合影響減弱。

圖3 流線與濕度分布（無導(dǎo)風(fēng)筒，L=2 m）

圖4 流線與濕度分布（有導(dǎo)風(fēng)筒，L=2 m）

圖5與圖6分別顯示了有無導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)障礙物高度對(duì)冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)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(dāng)無導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)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(shì)，當(dāng)冷卻塔與障礙物間距離為2m，障礙物高度為11m時(shí)，平均含濕量最大值和平均返混率最大值分別達(dá)到0.0182與1.9%。這是由于障礙物頂部區(qū)域出現(xiàn)冷卻塔迎風(fēng)面環(huán)境風(fēng)和冷卻塔排風(fēng)口排風(fēng)交互作用而產(chǎn)生的二次流，同時(shí)由于氣體的重力下沉，導(dǎo)致部分熱濕空氣回流至冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)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(yán)重。當(dāng)距離達(dá)到6m時(shí)，隨著障礙物高度增加，平均含濕量趨于常數(shù)，約為0.0178，接近大氣含濕量。當(dāng)有導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)，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(dǎo)風(fēng)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(fēng)口安裝導(dǎo)風(fēng)筒后，冷卻塔出口排風(fēng)的動(dòng)量增大的緣故。

圖5 冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口平均含濕量隨障礙物高度變化

圖6 冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)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(duì)熱濕空氣傳遞規(guī)律的影響。圖7與圖8給出了無導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)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(dāng)障礙物高度為3m時(shí)，障礙物與冷卻塔背風(fēng)面之間區(qū)域回流現(xiàn)象不明顯，這是由于障礙物的高度比較低，對(duì)氣流的阻礙作用不大。隨著障礙物距離增加，氣體混合區(qū)域逐漸增大，回流現(xiàn)象也無明顯變化。因此，平均含濕量基本保持不變。當(dāng)障礙物高度為11m時(shí)，在冷卻塔和障礙物頂部之間產(chǎn)生了渦流，渦流現(xiàn)象十分明顯。當(dāng)距離增大時(shí)，障礙物背面的渦流逐漸減弱，渦流區(qū)域增大，二次流不會(huì)流向冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)口。

圖7 流線與濕度分布（無導(dǎo)風(fēng)筒，H=3 m）

圖8 流線與濕度分布（無導(dǎo)風(fēng)筒，H=11 m）

圖9與圖10分別給出了冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)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(dāng)障礙物高度一定時(shí)，冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口平均含濕量隨著障礙物距離的增加而減小，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定值0.01785。由圖10（a）可知，當(dāng)障礙物高度一定時(shí)，冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口平均返混率隨著障礙物距離的增加而減小，當(dāng)距離達(dá)到 5 m時(shí)平均返混率趨于穩(wěn)定，約為0.2%。這主要是因?yàn)殡S著距離增加，氣流流動(dòng)空間越來越大，產(chǎn)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(duì)比圖9 與圖10，冷卻塔安裝了導(dǎo)風(fēng)筒后，平均含濕量與平均返混率基本上小于無導(dǎo)風(fēng)筒情形。

圖9 冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口平均含濕量隨障礙物距離變化

圖10 冷卻塔背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)口平均返混率隨障礙物距離變化

4 結(jié)論

本文對(duì)冷卻塔群進(jìn)風(fēng)口處有障礙物作用下強(qiáng)制通風(fēng)冷卻塔周圍熱羽流的返混現(xiàn)象進(jìn)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(cè)障礙物和背風(fēng)面障礙物對(duì)熱時(shí)傳遞規(guī)律的影響。結(jié)論如下：

1）冷卻塔沒有安裝導(dǎo)風(fēng)筒時(shí)，冷卻塔與障礙物距離較小時(shí)，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(dǎo)風(fēng)筒時(shí)，冷卻塔和障礙物距離較小時(shí)，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(shí)，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(dǎo)風(fēng)筒，冷卻塔排風(fēng)對(duì)冷卻塔前部區(qū)域平均含濕量與平均返混率無影響，而冷卻塔后部區(qū)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。