引言综合智慧能源站在夏季供冷过程中，采用冷却塔为制冷设备提供循环冷却水。根据塔内介质的流动形式分为逆流式和横流式[1]。逆流式冷却塔的冷却水从填料区上方喷淋，与从底部强制吸入的冷空气进行热交换、质交换，使得冷却水温降低到制冷设备所需范围，换热性能直接影响能源站运行的安全性、可靠性、经济性。通过试验或数值模拟方法对冷却塔热力性能展开研究[2-6]。唐磊[2]等研究环境侧风对冷却塔热力性能的影响，通过布置导风板、导风管等装置可有效改善冷却塔的热力性能。Rahmati[3]等对不同工况的冷却塔进行试验研究，结果表明喷淋水流量、冷空气流量、填料区密度是影响冷却塔热力性能的重要因素。刘佳[4]等对冷却塔的热力性能进行二维数值模拟，结果表明冷却塔中心两侧区域换热效果好，两侧及中心位置换热效果差，可通过合理布置喷嘴位置提高冷却塔的热力性能。Chen[5]等、Zhang[6]等对冷却塔填料区进行数值研究，与填料区传统的等距填充方式相比，非等距填充方式的冷却塔热力性能更佳。喷淋水流量、冷空气流量、雨区高度、进风角度（导风板倾角）、喷淋嘴分布、填料区填充方式等均为冷却塔热力性能的影响因素，不同程度地影响冷却塔内部的流动传热。以某综合智慧能源站的逆流式冷却塔作为研究对象，结合文献[7]-文献[10]与项目优化方案，运用数值模拟，分析冷却塔内流场分布、喷淋密度、入口风速、雨区高度对流动传热特性的影响，进一步优化相关几何结构及运行参数，实现逆流式冷却塔热力性能的提升。1物理及数学模型1.1物理模型智慧能源站的逆流式冷却塔由钢混结构制成，主体尺寸为4 m×4 m×4.4 m。逆流式冷却塔内部空间主要分为：喷淋区、填料区、雨区。冷却塔的几何结构如图1所示，相关尺寸参数如表1所示。逆流式冷却塔采用机械进风的方式（塔顶配有变频风机），冷空气进口处布置蜂窝状导风板。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F001图1逆流式冷却塔的几何结构10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.T001表1逆流式冷却塔的几何尺寸项目取值喷淋区高度h10.4填料区高度h21.0雨区高度h31.5入口高度h41.2m1.2数学模型基于冷却塔为轴对称结构，选取塔内中心截面作为二维数值模拟。冷却塔计算区域及边界条件设定如图2所示。速度入口处，冷空气进口风速uin=5 m/s，进口干球温度Tin,d=304 K，湿球温度Tin,w=301 K，进风角度为θ=0°（冷空气平行地面流进冷却塔）；喷淋水选用面射流方式从喷淋区顶端由上到下喷淋，喷淋密度q=2.8 kg/s，初始喷淋温度Tin,p=310 K；冷却塔顶部设置压力出口；其余边界默认壁面。为消除进出口效应对数值计算结果的影响，设置进出口延长区域。依据塔内液滴实际流动情况，考虑液滴重力等作用，设定液滴撞击塔底为逃逸，撞击两侧壁面为反射现象。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F002图2逆流式冷却塔的计算区域与网格划分研究逆流式冷却塔换热特性，采用数值模拟方法，方便建模做以下假设与简化：（1）假定冷却塔内部的流动传热为一个稳态过程；（2）忽略水漂损失对冷却塔热力性能的影响；（3）冷却塔壁面不与外界发生热交换；（4）采用多孔介质模型取代冷却塔填料区。考虑塔内气流为湍流运动，选择k-ε湍流模型作为模拟的数学模型。冷空气作为连续相选用欧拉法求解，质量、能量、动量方程可由式(1)表示[11]；液滴作为离散相采用拉格朗日法求解，可由式(2)~式(4)表示。数值计算中，速度压力耦合选择Simplec算法，对流项采用二阶迎风离散，扩散项为中心差分，迭代收敛残差设定为10-6。连续相通用控制方程：∇ρui-Γφ∇φ=Sφ (1)式中：ρ——冷空气密度，kg/m3；ui——时均流速，m/s；Гφ——广义扩散系数；φ——广义变量；Sφ——广义扩散源项。离散相控制方程：dupdt=Fdu-up+gρp-ρρp+Fz (2)dmpdt=Aphdcs-cMp (3)mpcpdTpdt=hApT-Tp+dmpdthfg (4)式中：ρp——液滴密度，kg/m3；u、up——冷空气、液滴速度，m/s；Fd——液滴曳力，N；Fz——其他作用力，N；mp——液滴质量，kg；Ap——液滴表面积，m2；hd——传质系数，kg/(m2·s)；c、cs——冷空气、液滴蒸汽浓度，kg/(mol·m3)；Mp——液滴摩尔质量，kg/mol；T——冷空气干球温度，K；Tp——液滴温度，K；cp——液滴定压比热容，J/(kg·K)；h——传热系数，kW/(m2·K)；hfg——液滴的汽化潜热，J。1.3网格处理模型选用结构化网格划分，基于冷却塔内部流动传热实际情况，近壁区设置边界层，喷淋区、填料区与雨区局部加密。经网格无关性检测，网格数量确定为7 万。2结果分析2.1模拟结果分析冷空气在塔内流场分布如图3所示。由图3可知，冷空气的速度分布呈对称结构。塔顶风机抽吸作用下，冷空气从塔底两侧流入，经雨区、填料区、喷淋区，竖直流出塔筒。对比流场各处速度梯度，塔内靠近底部的中心区域流速明显降低，原因在于受到左右进风气流的冲击所致。雨区两侧壁面附近存在流体绕流区域，冷空气以较小速度不停旋转，无法及时带走液滴热量，影响塔整体的换热效果。另外，沿冷空气流动方向观察，越靠近出风口，冷空气流速越大，出口处流速最大。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F003图3冷空气在冷却塔内部的速度场分布液滴在塔内温度分布如图4所示。由图4可知，液滴在塔底的温度呈现不均匀性。塔两端及中心区域温度较其余区域高，呈现“W”形分布趋势。结合图3和图4可知，塔内汽水传热传质过程存在差异，结果表现为塔内两端及中心区域换热效果不如其他区域换热效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F004图4液滴在冷却塔内部的温度分布2.2喷淋密度对冷却塔热力性能的影响冷却水进出口温差随喷淋密度变化关系如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F005图5冷却水进出口温差随喷淋密度变化的关系曲线由图5可知，冷却水进出口温差随喷淋密度增加呈先增后减趋势。原因在于喷淋密度增加，一方面导致液滴初始下降速度提高，加剧冷却塔内气流扰动，起到强化传热作用；另一方面液滴在填料区薄片上易形成较大且均匀的液膜，使得液滴与冷空气充分发生热质交换，提高冷却塔的换热效果。当喷淋密度进一步增大时，单位体积内的液滴数量增多，过多的液滴致使填料区薄片上的液膜厚度增加，反而起到传热恶化作用。过度增加喷淋密度，导致冷却水泵输出功率增大、塔内漂水率增高，易造成能源站运行成本增加。2.3入口风速对冷却塔热力性能的影响逆流式冷却塔采用机械进风，合理设定风机频率，选择冷空气入口流速。进出口温度与冷空气入口风速关系如图6所示。由图6可知，冷空气入口风速3~6 m/s内，冷却水进出口温差随风速增加表现为递增关系，表明入口风速提高使得塔内气体于水间得到充分换热，提升冷却塔热力性能。但进一步提高冷空气入口风速，冷却水进出口温差反而减小，这是由于风速过高缩短冷空气在塔内的停留时间，减少气体与水之间接触时间，弱化两者间传热传质效果。此外，提高入口风速，意味着冷却塔风机运行功率更大，耗电量更多，运行成本更高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F006图6冷却水进出口温差随冷空气入口风速变化的关系曲线2.4雨区高度对冷却塔热力性能的影响冷却塔的雨区位于填料区下方，内部无额外的传热部件，空间较为空阔。通过优化雨区高度，提高冷却塔热力性能方法较改变复杂的填料区明显方便且成本更低。在不改变冷却塔进口高度前提下，增大雨区高度与进口高度比值，分析雨区高度对冷却塔热力性能的影响。冷却水进出口温差随雨区高度比值变化关系如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.009.F007图7冷却水进出口温差随雨区高度比值变化的关系曲线由图7可知，随着雨区高度比值增加，冷却水进出口温差呈递增趋势，比值为2时达到峰值。随着比值的增大，液滴从填料区底部下落至塔底部集水池时间增加，液滴与冷空气拥有更多的混合接触时间，更易发生充分的热质交换，使得冷却塔表现出更好的热力性能。对比数值模拟结果与试验结果，发现两者数据趋势较为一致，相对误差不超过10%，可能由于模型简化所致。3结语（1）冷却塔内气体与水流动传热存在差异，塔底冷却水温度呈“W”形分布。（2）增加喷淋密度，液滴流速增加，气流间扰动加剧，强化传热作用。但喷淋密度过大，容易导致填料区薄片上液膜增厚，减弱冷却塔换热能力。增大冷空气入口速度，冷却水进出口温差先增后减，入口速度为6 m/s时，进出口温差最大，塔换热效果最好。（3）增大雨区高度，液滴与冷空气传热传质时间增加，有效降低冷却水出水温度，提高冷却塔热力性能。