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自然通风湿式冷却塔流场及热力场数值模拟及应用研究

张超  
【摘要】:自然通风逆流湿式冷却塔是我国电力部门使用最多的冷却系统设备,其换热效率直接影响到众多电厂的经济效益,甚至整个国家的环保节能。本文在充分调研前人工作后,介绍了两种应用最为广泛的冷却塔换热数学模型-Merkel模型和Poppe模型,并重点论述了.0 它们各自的优缺点。我们认为原始的Merkel模型虽然在计算出塔含湿量和出塔空气温度等个别参数上存在精度偏低的劣势,但其模型在计算出塔水温等关键参数上精度很高,且模型简单易行。本文在前人研究的基础上,使用焓差法中的Merkel模型,分别在FORTRAN编程平台和FLUENT用户自定义函数平台上编写二维和三维的冷却塔数值模拟计算程序来满足快速优化和精确计算的不同需要。 二维计算程序是在2000年黄东涛教授开发的程序的基础上,予以改进和完善,主要改进方面有将湍流模型从简单的零方程代数湍流模型改进为标准k -ε湍流模型,并通过与实验值的对比,讨论了湍流模型中的等效粘性系数对于计算结果的影响;另外,在二维计算程序的基础上,研究了不同的计算边界条件对于冷却塔内部流场模拟结果的影响,认为计算域的选取及计算边界条件的类型对于冷却塔内部流场计算的合理性尤为重要。 本文在著名商用CFD(Computational Fluid Dynamics)FLUENT开发了三维模拟方法。本文使用VC++在User Defined Function平台上编写Merkel传质传热模型来计算冷却塔的传质传热过程,而使用FLUENT软件来计算冷却塔内部流场。通过网格实验后的计算与实验值的对比,我们认为本文开发的三维计算方法在计算出塔水温等方面精度更高。通过三维计算,本文研究了冷却塔内部结构中的人字柱对冷却塔换热效率的影响,认为人字柱结构会使得冷却水温降减少0.1℃左右;通过将填料层的整流作用添加到三维计算程序中,提高了计算的精度和合理性;通过三维计算来讨论Merkel模型重要假设之一——忽略蒸发作用对淋水密度的影响,对于计算结果的影响,发现不考虑这一前提假设会造成计算出塔水温的1℃的巨大偏差,从而认为这一假设是使用Merkel模型的前提。


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