1、自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔雨區(qū)阻力特性的試驗(yàn)研究趙順安、王曉宇（中國(guó)水利水電科學(xué)研究，北京）摘要：大型立模擬試驗(yàn)裝置，模擬真實(shí)冷卻塔中的情況，測(cè)試雨區(qū)阻力性能，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法定量給出雨滴阻力當(dāng)量直徑隨雨區(qū)高度的變化關(guān)系圖，總結(jié)出雨區(qū)阻力系數(shù)的計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的分析還表明：核電大型冷卻塔單位長(zhǎng)度雨區(qū)的阻力系數(shù)隨雨區(qū)高度的增加而增大，隨淋水密度的增加而增大，隨斷面風(fēng)速的增加而減小。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)自然通風(fēng)冷卻塔雨區(qū)阻力系數(shù)的公式進(jìn)行修正后的計(jì)算公式風(fēng)速適用范圍可達(dá)0.82.0m/s。關(guān)鍵詞：逆流式冷卻塔，雨區(qū)，當(dāng)量直徑，阻力1 引言在冷卻塔阻力計(jì)算中，雨區(qū)的阻力占到整塔

2、阻力的約40%1、2，雨區(qū)阻力的如何確定是冷卻塔設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。由于雨滴在雨區(qū)運(yùn)行的復(fù)雜性，雨區(qū)阻力還無(wú)法通過(guò)理論分析或數(shù)值模擬計(jì)算直接給出準(zhǔn)確量值，相反雨區(qū)的數(shù)值模擬計(jì)算中還需要定雨滴的當(dāng)量直徑。雨區(qū)的阻力一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外冷卻塔阻力研究的難點(diǎn)，一般通過(guò)模擬試驗(yàn)方法來(lái)研究雨區(qū)的阻力特性，確定雨滴的當(dāng)量直徑，然后通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)確定不同條件下冷卻塔的雨區(qū)的阻力。文獻(xiàn)3通過(guò)雨區(qū)高度不大于6m的模擬試驗(yàn)，給出了雨區(qū)的阻力特性，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算總結(jié)出了冷卻塔雨區(qū)阻力的計(jì)算公式，已經(jīng)被設(shè)計(jì)采用4。隨著冷卻塔的規(guī)模的增大，雨區(qū)的高度也不斷增高，與核電AP1000機(jī)組相匹配的冷卻塔雨區(qū)高度已經(jīng)達(dá)

3、到14m，文獻(xiàn)3的試驗(yàn)結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大的偏差或不再適用。本文在建立雨區(qū)模擬試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)不同淋雨高度、淋水密度斷面風(fēng)速的試驗(yàn)，給出了雨區(qū)高度最大15m的淋雨阻力的試驗(yàn)結(jié)果，可供大型冷卻塔設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬計(jì)算參考。2 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)方法雨區(qū)阻力試驗(yàn)裝置見圖1，試驗(yàn)段尺寸為高度15m、寬度1m、深度8m，裝置主要水循環(huán)系統(tǒng)和抽風(fēng)系統(tǒng)組成，水循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)水泵將水抽至配水槽中，配水槽可按深度2m、4m、6m和8m進(jìn)行配水形成淋雨，風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻器來(lái)改變淋雨區(qū)的斷面風(fēng)速。淋雨高度在15m高度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)時(shí)先固定一個(gè)淋水高度，對(duì)不同淋水密度改變?cè)囼?yàn)斷面的風(fēng)速，測(cè)量試驗(yàn)斷的氣流阻力，單位長(zhǎng)度的淋雨的

4、阻力系數(shù)按下式（1）計(jì)算。 （1）式中為淋雨阻力、淋雨深度、淋雨斷面的平均水平風(fēng)速、空氣密度。圖1 淋水雨區(qū)阻力模擬試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖3、試驗(yàn)資料整理 模擬裝置內(nèi)空氣流場(chǎng)可簡(jiǎn)化為二維流動(dòng)，如圖2所示。穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，模擬裝置內(nèi)空氣流動(dòng)為定常流，空氣為不可壓縮。塔內(nèi)空氣流態(tài)為湍流狀態(tài)。流動(dòng)符合定常不可壓二維雷諾時(shí)均方程，采用k-雙方程湍流模型進(jìn)行方程封閉1。雨滴的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，計(jì)算時(shí)將雨滴簡(jiǎn)化為相同直徑的剛性球，在此基礎(chǔ)上按牛頓第二定律即可列出雨滴的運(yùn)動(dòng)方程2。計(jì)算中忽略由于風(fēng)吹所造成的淋水傾斜（試驗(yàn)中觀察由于風(fēng)速造成的淋水傾斜很?。?，即只考慮雨滴方向上的運(yùn)動(dòng)，不考慮雨滴的水平向運(yùn)動(dòng)

5、。 2.4 邊界條件 邊界條件如下： 模擬裝置出口風(fēng)機(jī)出口給定、值；取值為0，由實(shí)測(cè)給出，、參照文獻(xiàn)3給定，、；其中：當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa；D通道寬度，m； 模擬裝置口速度，m/s； 模擬裝置進(jìn)風(fēng)口出口為第二類邊界條件：； 壁面在壁面用光滑管邊界層公式來(lái)給定壁相鄰點(diǎn)的邊界條件，參見文獻(xiàn)2。3 試驗(yàn)結(jié)果分析3.1 不同雨區(qū)高度雨區(qū)阻力特性 對(duì)不同雨區(qū)高度、相同淋水密度、淋水深度和氣水比下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖3(a)所示，該圖給出了淋水密度為7t/(h.m2),淋水深度為4m，不同雨區(qū)高度對(duì)應(yīng)工況下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)變化曲線，由圖可以看出，隨著雨區(qū)高度增加，單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻

6、力系數(shù)也隨之增加，這是因?yàn)橛陞^(qū)高度增大時(shí)，在同一氣水比的條件下，不同淋水高度的單位長(zhǎng)度的雨區(qū)水滴阻力雖然隨淋水高度增大而減小，但是平均風(fēng)速也減小，阻力系數(shù)與平均風(fēng)速的平方成反比，阻力系數(shù)增大。計(jì)算結(jié)果也反映了該變化趨勢(shì)。 圖3(b)同時(shí)給出了計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致。圖3(a)單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨雨區(qū)高度變化（試驗(yàn)結(jié)果）圖3(b)單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨雨區(qū)高度變化（計(jì)算結(jié)果）3.2 不同淋水密度雨區(qū)阻力特性 對(duì)不同淋水密度，相同雨區(qū)高度、淋水深度和試驗(yàn)斷風(fēng)速下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)進(jìn)行分析，如圖4(a)所示，該圖給出了淋水高度為9.92m，淋水深度為8m，不同淋水密度對(duì)應(yīng)工況下的單位長(zhǎng)度雨

7、區(qū)阻力系數(shù)。由圖可以看出，隨著淋水密度的增加，雨區(qū)阻力系數(shù)也隨之增加，這是因?yàn)榱芩芏仍龃髸r(shí)，單位體積內(nèi)水滴的個(gè)數(shù)也增加，阻力也隨之增加。計(jì)算結(jié)果也反映了該變化趨勢(shì)，如圖4(b)所示。 圖4(a) 單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨淋水密度變化（試驗(yàn)結(jié)果）圖4(b) 單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨淋水密度變化（計(jì)算結(jié)果）3.3 不同試驗(yàn)斷面風(fēng)速雨區(qū)阻力特性 對(duì)不同試驗(yàn)斷面風(fēng)速下，相同雨區(qū)高度、淋水深度和淋水密度下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)進(jìn)行分析，如圖5(a)所示，該圖給出了淋水高度為9.92m，淋水深度為6m，淋水密度為7t/(h.m2)時(shí)不同工況下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)，由圖可以看出，隨著不同試驗(yàn)斷面風(fēng)速的增加，

8、雨區(qū)阻力系數(shù)減小，這是因?yàn)椴煌囼?yàn)斷面風(fēng)速，隨著試驗(yàn)斷面風(fēng)速的增加，阻力也隨之增加，由式（1-2）可知，阻力系數(shù)與試驗(yàn)斷面風(fēng)速平方成反比，因此阻力變化較風(fēng)速平方變化慢，阻力系數(shù)減小。計(jì)算結(jié)果也反映了該變化趨勢(shì)，如圖5(b)所示。 圖5(a) 單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨試驗(yàn)斷風(fēng)圖5(b) 單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨試驗(yàn)斷風(fēng)速變化（計(jì)算結(jié)果）3.4 雨區(qū)阻力特性分析 對(duì)不同雨區(qū)高度的試驗(yàn)工況的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖6(a)為淋水高度為5.3m、淋水深度4.0m和淋水密度13t/(h)特定工況條件下的單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)隨氣水比變化試驗(yàn)結(jié)果，圖中還給出了相同條件下，不同當(dāng)量直徑單位長(zhǎng)度雨區(qū)阻力系數(shù)計(jì)

9、算結(jié)果。由圖可以看出，相同工況下，單位長(zhǎng)度的雨區(qū)阻力系數(shù)隨當(dāng)量直徑的增大而減小，當(dāng)雨滴當(dāng)量直徑為2.7mm時(shí)，單位長(zhǎng)度的雨區(qū)阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好。 雨區(qū)高度為5.3m的所有工況的測(cè)試結(jié)果與當(dāng)量直徑為2.7mm的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6(b)所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好。圖6(a) 雨區(qū)高度為5.3m雨區(qū)阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖6(b) 雨區(qū)高度為5.3m所有工況雨區(qū)阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比同理可對(duì)雨區(qū)高度為9.92m和14.6m的工況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7(a)和7(b)所示，當(dāng)雨區(qū)高度為9.92m,雨滴當(dāng)量直徑取2.9mm，雨區(qū)高度為14.60m,雨滴當(dāng)量直徑

10、取3.0mm，各組合工況的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好。可見，不同雨區(qū)高度單位長(zhǎng)度的雨區(qū)阻力系數(shù)與不同雨滴當(dāng)量直徑的數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，雨區(qū)高度越大，雨滴當(dāng)量直徑越大。圖7(a) 雨區(qū)高度為9.92m時(shí)不同工況阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖7(b) 雨區(qū)高度為14.60m時(shí)不同工況阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，給出雨滴當(dāng)量直徑隨不同雨區(qū)高度變化關(guān)系曲線，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著雨區(qū)高度的增加，雨滴當(dāng)量直徑變大，但增加趨勢(shì)變緩，這是因?yàn)殡S著雨區(qū)高度的增加，雨滴速度會(huì)增大，當(dāng)雨區(qū)高度增大到一定程度時(shí)，雨滴的降落速度將不再變化，因此單位長(zhǎng)度的雨區(qū)阻力系數(shù)也將不再變化，對(duì)應(yīng)

11、的雨滴當(dāng)量直徑也會(huì)停止變化。 圖8 雨滴當(dāng)量直徑與雨區(qū)高度變化關(guān)系3.4 雨區(qū)阻力系數(shù)計(jì)算公式討論 修正后的阻力系數(shù)公式（1）與文獻(xiàn)5中得出的阻力系數(shù)公式都是經(jīng)驗(yàn)擬合公式，主要區(qū)別在于使用范圍不同。圖9(a)是公式（1）在進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度0.36，淋水密度7t/(h)條件下不同淋水面積的雨區(qū)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化規(guī)律，隨填料斷面的風(fēng)速增加，雨區(qū)阻力系數(shù)變小，變小的幅度也減小，由趨勢(shì)看當(dāng)風(fēng)速大至一定值后，將不再變化，這是由于淋水的雨滴隨高度的增大而增大，大至一定值后將不再增大，所以，阻力系數(shù)將趨不變。圖9(b)是文獻(xiàn)5中得出雨區(qū)阻力系數(shù)計(jì)算公式的計(jì)算規(guī)律，由圖可看出，隨填料斷面風(fēng)速增大雨區(qū)阻力系數(shù)單

12、值減小，并出現(xiàn)負(fù)值發(fā)生錯(cuò)誤，不符合物理現(xiàn)象。原因在于公式得出時(shí)只用了兩個(gè)風(fēng)速，只能得出直線關(guān)系，超出其范圍將出現(xiàn)偏差與錯(cuò)誤。4 結(jié)論本文建立自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔雨區(qū)的模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)不同淋水條件（雨區(qū)高度、淋水深度、淋水密度以及斷面風(fēng)速）下的雨區(qū)阻力特性進(jìn)行了模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算，給出了三個(gè)雨區(qū)高度下對(duì)應(yīng)的不同的雨滴阻力當(dāng)量直徑，并由此推出了雨滴阻力當(dāng)量直徑隨雨區(qū)高度的變化曲線圖，該成果為核電大型冷卻塔雨區(qū)阻力的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)總結(jié)出雨區(qū)阻力系數(shù)公式。模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果還表明：核電大型冷卻塔單位長(zhǎng)度雨區(qū)的阻力系數(shù)隨雨區(qū)高度的增加而增大，隨斷面風(fēng)速的增加而減小，隨淋水密度的增加而增大。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)自然通風(fēng)冷卻塔雨區(qū)阻力系數(shù)的公式進(jìn)行修正后的計(jì)算公式風(fēng)速適用范圍可達(dá)0.82.0m/s。參 考 文 獻(xiàn)：1趙順安.海水冷卻塔.中國(guó)水利水電出版社，2007.12趙振國(guó).冷卻塔.中國(guó)水利水電出版社，2001.93趙振國(guó)等. 逆流式自然通風(fēng)冷卻塔通風(fēng)阻力的研究.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1993年12期4中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T50102-2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)劃出版社，2003年5趙順安、廖內(nèi)平、徐銘，逆流式自然通風(fēng)冷卻塔二維數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，水利學(xué)報(bào)，2003（10）張兆