原创《运行状态下超大型冷却塔内表面风荷载数值模拟》：本文是一篇关于数值模拟论文范文，可作为相关选题参考,和写作参考文献。
摘 要：对运行状态下的某超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟.在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,采用DPM模型结合UDF函数方法加入源项来研究某超大型冷却塔内表面平均风压分布；塔中水相采用了拉格朗日方法模拟,而空气相采用欧拉方法模拟,较好地实现了冷却塔运行状态下的内外流场计算及其和传热传质的耦合计算,分析了运行状态下冷却塔横风向来流时的内压分布规律.无侧风工况下计算结果显示,塔运行过程中的内表面压力对称性良好,出水温度和实测结果相符,验证了本文提出的塔运行过程中的传热传质计算方法的正确性.侧风工况下得到塔内压力系数沿高度方向相应变大,而沿纬向变化不明显.同时讨论了中国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,给出了建议取值,为超大型冷却塔设计过程中的内压计算提供方法和依据.
关键词：冷却塔；平均风荷载；数值模拟；传热传质；离散相模型（DPM）
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A
超大型双曲自然通风冷却塔是一种大型空间薄壁开口结构,普遍用于发电厂中循环水冷却,风荷载对其安全性的影响起决定性作用.随着电站装机容量的增加,冷却塔也向高大化发展.如湖南、湖北拟建和在建的塔高分别达到200 m和220 m.
随着英国渡桥电厂冷却塔的倒塌,工程界对于冷却塔的风荷载给予了极大关注[1-5] ,并制定了相关设计规范.而英国规范和德国规范则相对完善,并被他国参考.由于塔体包括内、外两个表面,因此涉及到外风压载荷以及内风压载荷,以往的许多研究主要是针对塔的外表面风压,而对于内表面的风压研究较少.孙天风等[2]对中国的茂名塔进行了内压实测,结果显示,迎风面受到的内外压的作用力方向一致,两者的叠加作用将导致子午向的应力显著增大.且有资料[3]表明,英国渡桥电厂冷却塔倒塌,主要是由于迎风面子午向钢筋受拉屈服断裂造成的.因此,在冷却塔风荷载设计过程中必须充分考虑内压的影响.
李鹏飞等[1]认为塔内表面压力系数沿环向、高度均匀分布,假定其为某个数值.Kawarabata等[6]认为内压压力系数为-0.4～-0.50,实际设计中采用内压压力系数为-0.45.德国规范[7]将内表面的风压系数取定值为-0.50.中国规范只对165 m高度以下的双曲型冷却塔外表面的风压进行了规定[8-9],而对于内压,规范中并未提及其具体设计标准.内压研究正被越来越多的学者所重视,但是冷却塔在运行状态下的内压系数研究尚少见文献涉及.不同的学者和文献的各种取值差异较大,而如何借鉴各国的规范来指导中国的设计,有必要做充分的研究.然而,内压研究存在其固有困难：现场实测由于受到外部天气因素及塔内运行的影响,难于得到最不利工况结果；实验室测试却无法重现其真实运行过程中的填料压降以及上升抽力等条件.因此,数值模拟由于其条件易于实现的优越性成为其中重要的研究手段.
本文采用CFD数值模拟方法,对商业软件FLUENT进行二次开发,采用其中的离散相（Discrete Phase Model,DPM）模型,结合用户自定义函数（User Defined Functions,UDF）,在冷却塔填料区域中加入热水程序,采用欧拉方法对空气相进行模拟,采用拉格朗日方法对水相进行模拟,在填料区域中水流流动的水膜性质通过给定速度的液滴流来近似,通过热水和空气之间的热交换来模拟冷却塔在实际运行过程中塔内发生的传热传质过程.得到一套反映真实运行状态下冷却塔的内压确定方法,并且研究其在50年重现期风速下的内表面风压系数分布规律及流场特性,为冷却塔的内压确定提供依据和方法,并指导其设计.
1自然通风逆流湿式冷却塔简介
自然通风逆流湿式冷却塔是一种空气和热循环水混合接触式换热设备,结构如图1所示.从冷凝器中出来的热水进入塔内淋水系统,淋水系统将热水喷洒在下面的多孔介质填料中,热水经过填料的时候和空气发生传热传质以后成雨状落入水池中,其主要传热传质区由配水区、填料区和雨区组成.热循环水经配水喷嘴喷出后分别以水滴、水膜和水滴的形式依次经配水区、填料区和雨区进行对流传热传质,然后落入底部蓄水池并由循环水泵输送回凝汽器内循环再用.作为冷源的环境空气经塔入口依次进入雨区、填料区和配水区,变为温度较高、密度较小的近乎饱和的热湿空气而沿着塔往上运动,在塔内形成上升的抽力,最后携带着热量被排放到大气中,整过过程中不需要任何机械通风设备,所以称为自然通风冷却塔.
以往文献[10]关于冷却塔内的传热传质研究主要是针对塔内工艺方面,而通过模拟塔内传热传质来研究塔内压力分布规律的相对较少.
2计算理论及方法
在FLUENT中,描述热、质量和动量传输的空气（连续相）流动方程可以写成以下统一形式：
3计算参数
几何参数：受某电力设计院的委托进行本文的相关研究并将此研究作为技术储备.本文所研究的冷却塔塔高220 m,为当前第一高塔.其主要参数为：淋水面积20 000 m2,塔筒底部标高13.45 m,塔筒底部直径169.878 m,喉部标高169.4 m,喉部直径103.545 m,塔顶出口直径109 m.
计算域及边界条件：计算域及边界条件如图2所示.由图2可知,满足阻塞比小于5%的要求.入口边界条件为速度入口；出口采用压力出口边界条件,相对压力选为零；流域侧壁以及顶部采用自由滑移壁面条件；地面采用无滑移壁面边界条件；冷却塔表面为具有粗糙度的无滑移壁面边界条件,粗糙度的施加参考文献[13]中的方法；塔底只考虑填料区和雨区的影响,初始阶段先在填料区顶部建立一个面施加热水水滴,热水经过填料区以及雨区过程中进行传热传质交换,通过UDF编写源项以及阻力项实现.
冷却塔所在地为B类地貌,地面粗糙度系数α为0.16.入口处速度剖面和湍流度采用规范[8]中的指数率形式,该地区10 m高度处50年重现期最大平均风速为25 m/s.地面高度30 m处湍流强度为16%.
数值模拟论文参考资料：
结论：运行状态下超大型冷却塔内表面风荷载数值模拟为适合不知如何写数值模拟方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于数值模拟软件论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。
