1、自然通風逆流濕式冷卻塔雨區阻力特性的試驗研究趙順安、王曉宇（中國水利水電科學研究，北京）摘要：大型立模擬試驗裝置，模擬真實冷卻塔中的情況，測試雨區阻力性能，結合數值計算方法定量給出雨滴阻力當量直徑隨雨區高度的變化關系圖，總結出雨區阻力系數的計算公式。通過對模擬試驗與數值模擬計算結果的分析還表明：核電大型冷卻塔單位長度雨區的阻力系數隨雨區高度的增加而增大，隨淋水密度的增加而增大，隨斷面風速的增加而減小。通過數值模擬的方法對自然通風冷卻塔雨區阻力系數的公式進行修正后的計算公式風速適用范圍可達0.82.0m/s。關鍵詞：逆流式冷卻塔，雨區，當量直徑，阻力1 引言在冷卻塔阻力計算中，雨區的阻力占到整塔

2、阻力的約40%1、2，雨區阻力的如何確定是冷卻塔設計中的一個關鍵參數。由于雨滴在雨區運行的復雜性，雨區阻力還無法通過理論分析或數值模擬計算直接給出準確量值，相反雨區的數值模擬計算中還需要定雨滴的當量直徑。雨區的阻力一直以來都是國內外冷卻塔阻力研究的難點，一般通過模擬試驗方法來研究雨區的阻力特性，確定雨滴的當量直徑，然后通過數值模擬計算來確定不同條件下冷卻塔的雨區的阻力。文獻3通過雨區高度不大于6m的模擬試驗，給出了雨區的阻力特性，并通過數值模擬計算總結出了冷卻塔雨區阻力的計算公式，已經被設計采用4。隨著冷卻塔的規模的增大，雨區的高度也不斷增高，與核電AP1000機組相匹配的冷卻塔雨區高度已經達

3、到14m，文獻3的試驗結果將會出現較大的偏差或不再適用。本文在建立雨區模擬試驗裝置基礎上，通過不同淋雨高度、淋水密度斷面風速的試驗，給出了雨區高度最大15m的淋雨阻力的試驗結果，可供大型冷卻塔設計和數值模擬計算參考。2 試驗裝置試驗方法雨區阻力試驗裝置見圖1，試驗段尺寸為高度15m、寬度1m、深度8m，裝置主要水循環系統和抽風系統組成，水循環系統通過水泵將水抽至配水槽中，配水槽可按深度2m、4m、6m和8m進行配水形成淋雨，風機通過變頻器來改變淋雨區的斷面風速。淋雨高度在15m高度范圍內進行調節。試驗時先固定一個淋水高度，對不同淋水密度改變試驗斷面的風速，測量試驗斷的氣流阻力，單位長度的淋雨的

4、阻力系數按下式（1）計算。 （1）式中為淋雨阻力、淋雨深度、淋雨斷面的平均水平風速、空氣密度。圖1 淋水雨區阻力模擬試驗裝置系統示意圖3、試驗資料整理 模擬裝置內空氣流場可簡化為二維流動，如圖2所示。穩定運行狀態下，模擬裝置內空氣流動為定常流，空氣為不可壓縮。塔內空氣流態為湍流狀態。流動符合定常不可壓二維雷諾時均方程，采用k-雙方程湍流模型進行方程封閉1。雨滴的運動是一個十分復雜的過程，計算時將雨滴簡化為相同直徑的剛性球，在此基礎上按牛頓第二定律即可列出雨滴的運動方程2。計算中忽略由于風吹所造成的淋水傾斜（試驗中觀察由于風速造成的淋水傾斜很小），即只考慮雨滴方向上的運動，不考慮雨滴的水平向運動

5、。 2.4 邊界條件 邊界條件如下： 模擬裝置出口風機出口給定、值；取值為0，由實測給出，、參照文獻3給定，、；其中：當地大氣壓力，Pa；D通道寬度，m； 模擬裝置口速度，m/s； 模擬裝置進風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給定壁相鄰點的邊界條件，參見文獻2。3 試驗結果分析3.1 不同雨區高度雨區阻力特性 對不同雨區高度、相同淋水密度、淋水深度和氣水比下的單位長度雨區阻力系數試驗結果進行分析，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，不同雨區高度對應工況下的單位長度雨區阻力系數變化曲線，由圖可以看出，隨著雨區高度增加，單位長度雨區阻

6、力系數也隨之增加，這是因為雨區高度增大時，在同一氣水比的條件下，不同淋水高度的單位長度的雨區水滴阻力雖然隨淋水高度增大而減小，但是平均風速也減小，阻力系數與平均風速的平方成反比，阻力系數增大。計算結果也反映了該變化趨勢。 圖3(b)同時給出了計算結果與試驗結果規律一致。圖3(a)單位長度雨區阻力系數隨雨區高度變化（試驗結果）圖3(b)單位長度雨區阻力系數隨雨區高度變化（計算結果）3.2 不同淋水密度雨區阻力特性 對不同淋水密度，相同雨區高度、淋水深度和試驗斷風速下的單位長度雨區阻力系數進行分析，如圖4(a)所示，該圖給出了淋水高度為9.92m，淋水深度為8m，不同淋水密度對應工況下的單位長度雨

7、區阻力系數。由圖可以看出，隨著淋水密度的增加，雨區阻力系數也隨之增加，這是因為淋水密度增大時，單位體積內水滴的個數也增加，阻力也隨之增加。計算結果也反映了該變化趨勢，如圖4(b)所示。 圖4(a) 單位長度雨區阻力系數隨淋水密度變化（試驗結果）圖4(b) 單位長度雨區阻力系數隨淋水密度變化（計算結果）3.3 不同試驗斷面風速雨區阻力特性 對不同試驗斷面風速下，相同雨區高度、淋水深度和淋水密度下的單位長度雨區阻力系數進行分析，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)時不同工況下的單位長度雨區阻力系數，由圖可以看出，隨著不同試驗斷面風速的增加，

8、雨區阻力系數減小，這是因為不同試驗斷面風速，隨著試驗斷面風速的增加，阻力也隨之增加，由式（1-2）可知，阻力系數與試驗斷面風速平方成反比，因此阻力變化較風速平方變化慢，阻力系數減小。計算結果也反映了該變化趨勢，如圖5(b)所示。 圖5(a) 單位長度雨區阻力系數隨試驗斷風圖5(b) 單位長度雨區阻力系數隨試驗斷風速變化（計算結果）3.4 雨區阻力特性分析 對不同雨區高度的試驗工況的試驗結果與計算結果進行對比，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度雨區阻力系數隨氣水比變化試驗結果，圖中還給出了相同條件下，不同當量直徑單位長度雨區阻力系數計

9、算結果。由圖可以看出，相同工況下，單位長度的雨區阻力系數隨當量直徑的增大而減小，當雨滴當量直徑為2.7mm時，單位長度的雨區阻力系數的計算結果與實測值符合較好。 雨區高度為5.3m的所有工況的測試結果與當量直徑為2.7mm的計算結果進行對比，如圖6(b)所示，計算結果與實測值符合較好。圖6(a) 雨區高度為5.3m雨區阻力系數的計算結果與實測結果對比圖6(b) 雨區高度為5.3m所有工況雨區阻力系數的計算結果與實測結果對比同理可對雨區高度為9.92m和14.6m的工況進行對比分析，如圖7(a)和7(b)所示，當雨區高度為9.92m,雨滴當量直徑取2.9mm，雨區高度為14.60m,雨滴當量直徑

10、取3.0mm，各組合工況的計算結果與實測結果符合較好。可見，不同雨區高度單位長度的雨區阻力系數與不同雨滴當量直徑的數值計算結果存在對應關系，雨區高度越大，雨滴當量直徑越大。圖7(a) 雨區高度為9.92m時不同工況阻力系數試驗結果與計算結果對比圖7(b) 雨區高度為14.60m時不同工況阻力系數試驗結果與計算結果對比對上述結果進行總結，給出雨滴當量直徑隨不同雨區高度變化關系曲線，如圖8所示，可以發現，隨著雨區高度的增加，雨滴當量直徑變大，但增加趨勢變緩，這是因為隨著雨區高度的增加，雨滴速度會增大，當雨區高度增大到一定程度時，雨滴的降落速度將不再變化，因此單位長度的雨區阻力系數也將不再變化，對應

11、的雨滴當量直徑也會停止變化。 圖8 雨滴當量直徑與雨區高度變化關系3.4 雨區阻力系數計算公式討論 修正后的阻力系數公式（1）與文獻5中得出的阻力系數公式都是經驗擬合公式，主要區別在于使用范圍不同。圖9(a)是公式（1）在進風口相對高度0.36，淋水密度7t/(h)條件下不同淋水面積的雨區阻力系數隨風速的變化規律，隨填料斷面的風速增加，雨區阻力系數變小，變小的幅度也減小，由趨勢看當風速大至一定值后，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，阻力系數將趨不變。圖9(b)是文獻5中得出雨區阻力系數計算公式的計算規律，由圖可看出，隨填料斷面風速增大雨區阻力系數單

12、值減小，并出現負值發生錯誤，不符合物理現象。原因在于公式得出時只用了兩個風速，只能得出直線關系，超出其范圍將出現偏差與錯誤。4 結論本文建立自然通風逆流濕式冷卻塔雨區的模擬試驗裝置，對不同淋水條件（雨區高度、淋水深度、淋水密度以及斷面風速）下的雨區阻力特性進行了模擬試驗與數值模擬計算，給出了三個雨區高度下對應的不同的雨滴阻力當量直徑，并由此推出了雨滴阻力當量直徑隨雨區高度的變化曲線圖，該成果為核電大型冷卻塔雨區阻力的數值模擬奠定了基礎。同時總結出雨區阻力系數公式。模擬試驗與數值模擬計算結果還表明：核電大型冷卻塔單位長度雨區的阻力系數隨雨區高度的增加而增大，隨斷面風速的增加而減小，隨淋水密度的增加而增大。通過數值模擬的方法對自然通風冷卻塔雨區阻力系數的公式進行修正后的計算公式風速適用范圍可達0.82.0m/s。參 考 文 獻：1趙順安.海水冷卻塔.中國水利水電出版社，2007.12趙振國.冷卻塔.中國水利水電出版社，2001.93趙振國等. 逆流式自然通風冷卻塔通風阻力的研究.水動力學研究與進展，1993年12期4中華人民共和國國家標準，GB/T50102-2003工業循環水冷卻設計規范，計劃出版社，2003年5趙順安、廖內平、徐銘，逆流式自然通風冷卻塔二維數值模擬優化設計，水利學報，2003（10）張兆