空冷塔下热回流及热态流场研究方法优化

空冷塔下热回流及热态流场的研究方法有理论分析、模型试验、数值计算、原型观测4种。

1.理论分析

John F Kennedy、Homer Fordyce[47]对机械强迫通风塔下热羽流及其相互作用进行了理论分析和试验研究，通过采用量纲分析得出塔下热回流与机械通风塔内各设计参数与运行参数之间的关系。

D G Kroger[52-54]通过理论分析了热回流对机械通风冷却塔性能的影响。在理论推导的过程中，将换热器进行简化，应用伯努力能量方程建立起热回流率与机械通风塔对应参数的关系，再通过数值模拟验证了理论分析的合理性。

理论分析方法已经被成功地应用于强迫机械通风塔的研究，但是它只能用于分析简化流动形式以及简单几何状态下的流动，无法研究包括环境风、热浮力效应和轴流风机强迫对流换热的复杂流动。

2.模型试验

空冷系统塔下热回流及流场试验研究包括风洞模型试验和水槽模型试验两种，风洞模型试验研究主要是在风洞里模拟与实际电厂周围相似的大气边界层的条件下，研究来流对塔下热回流的影响。顾志福[35-37]在风洞中模拟大气边界层，对直接空冷系统进行模型试验研究，采用与大气密度不同的甲烷气体模拟热空气，通过测量空冷凝汽器出口与风机进口的甲烷浓度来模拟热回流，在改变来流风速和风向条件下，探讨风速和风向对塔下热回流的影响。A Y Gunter、K V Shipes[55]在研究空冷塔下热回流时，采用烟流试验方法，探讨空冷塔出口热羽流的走向，并给出了正回流和负回流，但是没有说明如何定义热回流。

水槽模型试验设计明渠流动，必须满足Fr相似准则。试验过程中，空冷凝汽器模型出口通恒定流量的染色液，并且密度小于水的密度，同时水槽内水流速度恒定，可以得出，不同的来流速度和不同的凝汽器出口染色液流量下热羽流的流动形态。John F Kennedy、Homer Fordyce[47]通过水槽试验，对机械强迫通风塔下热羽流及其相互作用进行了试验研究，得出塔下热回流率与速度比k和密度弗劳德数FrD的关系。D G Kroger[52]在研究机械通风空冷换热器的热回流时，采用水槽模型试验得到不同来流速度下，热羽流的流动形式。

模型试验有利于发现新现象，但是试验过程中很难保证Fr数、Ma数和Re数相似准则的一致性，因此模型试验结果不能直接应用于原型上，必须进行修正。

3.数值计算(www.xing528.com)

数值计算在空冷系统热回流和流场特性的研究中占有十分重要的地位，由于该方法不受几何形状的限制，适用于研究复杂的流动问题。

关于机械通风塔下热回流的问题，前人已经做了大量的研究工作[45-47，54-58]，K Duvenhage、D G Kroger[39]数值模拟了风对强迫通风换热器风机性能和热回流的影响，研究表明，横向风能够明显地减少上风向风机进口的空气体积流率，当风侧向吹过时能增加换热器边缘的热回流。A F Du Preez、D G Kroger[50]采用现场测量和数值模拟方法，研究了风对自然机械通风塔性能的影响，研究发现风对空冷塔的作用随着热耗散率的减弱而增强，并且风效应与换热器管束布置有关。C G Du Toit[52-54]采用简化空冷散热器，对二维机械通风换热器的热回流问题进行理论分析，在无风条件下，建立起空冷塔几何参数与热回流之间的关系，最后对机械通风塔进行数值模拟，全面了解机械通风换热器的流场和相关的现象。

然而直接空冷系统的热回流研究相对较少，C G Du Toit、G D Thiart、D G Kroger[31]对Matimba直接空冷电厂进行了数值模拟研究，Martin P van Staden、Leon Pretorius[32-33]采用商用软件Star CD对直接空冷系统的进行了数值模拟研究，数值模型采用标准kε紊流模型，探讨了环境风对直接空冷系统的影响，给出了横向风下空冷塔后的流场和温度场分布。赵文升、王松龄等[40-41]利用CFD软件，对大型电站空冷系统的流场和温度场进行了数值模拟，定性地分析了热回流发生的原因及对空冷机组的影响。段会申、刘沛清、赵万里[42-44]采用FLUENT软件对大同二电厂直接空冷系统进行数值模拟研究，探讨环境因素对空冷塔周围流场与温度场的关系。Hein Goldschagg[49]探讨了风的变化对Matimaba直接空冷凝汽器性能的影响，提出拆除空冷塔与汽机房间的隔板有利于提高空冷凝汽器的性能，然而模拟过程中的有关设置等说明较少。

数值模拟能够定性地研究问题的现象，对模型试验的结果是一个很好的验证手段。

4.原型观测

原型观测主要根据电厂实际运行需要而在特殊位置布置的有代表性的观测点，如环境大气的温度、湿度、气压、风速、风向等。对原型观测来说，环境因素时刻变化，因此需要大量的观测数据，得到的结果才可信，同时原型观测需要一些特殊的仪器和设备，观测成本比较高。

A F Du Preez、D G Kroger[50]对环境横向风对自然通风塔性能的影响进行了全尺度的现场测量，研究了风对自然机械通风塔性能的影响，研究发现风对空冷塔的作用随着热耗散率的减弱而增强，并且风效应与换热器管束布置有关，最后采用Phoenix商业软件对上述模型进行数值模拟，研究发现两者较为吻合。林宝庆、潘宇峰等[24，68]采用现场观测的方法研究了夏季环境风对直接空冷机组的运行影响，并且根据现场观测的结果分析了直接空冷机组冷却风机运转状况与环境风的关系。刘春东、高向忠等[71]对通辽电站直接空冷风机整体性能现场观测的试验，验证风机各零、部件设计的合理性和可靠性，风机各部件组装的协调性等。文献[82]～[84]对直接空冷系统的验收及测试进行了详细的理论指导意见。李睿智、陈晓峰[85]对空冷散热器进行了数据观测，并进行了相应的分析。续宏、于天群等[86]对6000k W直接空冷系统进行了试验研究，讨论了冬季以及夏季不同气象条件、不同负荷、不同风机运行方式下空冷散热器散热量、排气压力、凝结水温等变化的相互关系，分析了热回流和散热器表面的脏污对散热效果的影响。于天群[87]对大同第二发电厂直接空冷系统上布置了温度和风速传感器，现场测试了直接空冷散热器风速风温的分布规律，研究表明：空冷散热器出口风速风温沿空冷塔横向的分布并不均匀，一般而言是风温上高下低；风速上小下大；并且风温分布和风速分布存在对应关系，即风速高的地方风温低，风速低的地方风温高。

原型观测虽然需要大量的观测数据，而且观测需要一些特殊的仪器和设备，观测成本比较高，但是得到的结果比较可信。