1工程概况某大型国际会议会展中心位于江苏无锡，主要结构形式为大跨度钢桁架+框架，建筑外部全部为玻璃幕墙，部分区域设置金属格栅，要求绿建三星。2冷却塔周边环境及选型2.1冷却塔的周边环境冷却塔设置平台高度为12.5 m，北侧墙体顶部标高31.93~41.18 m（镂空率50%）；南侧墙体顶部标高30.68~39.78 m（均为实体墙）；东侧墙体顶部标高31.68~31.93 m（15.82~16.92 m以上为格栅，镂空率50%，以下至12.5 m均为实体墙）；西侧墙体顶部标高39.78~41.18 m（22.77~21.88 m以上为格栅，镂空率50%，以下至12.5 m均为实体墙）；冷却塔区域顶部为装饰格栅，镂空率55.4%左右。冷却塔近乎布置于一基坑内。2.2冷却塔的选型与布置冷却塔共10台，为了避免热岛效应，冷却塔均选用单面进风型。其中，9台冷却塔的运行参数为：水流量300 m3/h，每台两台风扇，风扇总功率15 kW，单台尺寸3.7 m×3.6 m×5.5 m，最大运行质量8 120 kg；1台冷却塔的运行参数为：水流量530 m3/h，每台3台风扇，风扇总功率33 kW，单台尺寸5.5 m×3.6 m×5.6 m，最大运行质量12 180 kg。结合BIM深化，冷却塔布置于距离北侧墙体9.05~12.6 m、西侧墙体2.96 m、东侧墙体2.5 m、南侧墙体9.26 m处，冷却塔基础高度为1.5 m[1]。3冷却塔的热流模拟3.1物理模型及参数设置热流模拟主要对选型的冷却塔组外流场进行CFD模拟[2-3]。整个计算区域尺寸为1 880 m×250 m×1 400 m。计算模拟工况为夏季工况，当地夏季风向主要为东南方向。本工程还计算了风向为北风和南风时的情况。将冷却塔自西向东编号为1#~10#。外界空气通过北侧镂空面及东西两侧上半部镂空面进入冷塔的布置空间。环境温度为37.91 ℃，水蒸气质量分数为0.020 2。根据冷却塔选型报告，冷却塔出风边界条件如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.T001表1冷却塔出风边界条件编号出口风速/(m/s)出口风温度/℃出口水蒸气质量分数1#~9#10.81035.0190.034 721 0810#12.36635.0450.034 823 57针对建筑物和冷却塔组成的整个计算区域，采用边界多面体核心六面体的方式进行三维非结构网格划分，细小结构附近进行网格加密。最小网格尺寸为0.025 m，最大网格尺寸为7.5 m，多面体网格总数为6 038 394。根据《建筑环境数值模拟技术规程》（DB31/T 922—2015），环境风速边界条件在高度上满足指数分布律。v=v0(zz0)a (1)式中：v——对应高度z处的风速，m/s；v0——对应基准高度z0处的基准风速，m/s；a——地面粗糙度指数。模拟冷却塔组外流场时，将百叶通风结构设置为多孔介质压力阶跃[4]。根据达西定理，多孔介质压力阶跃与流速的关系为：△p=-μαv+C212ρv2△n (2)式中：ρ——空气密度，kg/m3；μ——动力黏度，单位；α——渗透率；C2——压力阶跃系数；△n——多孔介质厚度，mm。整场计算时，需要输入渗透率和压力阶跃系数。为了确定这两个系数，首先对百叶围栏进行不同风速下的二维模拟。根据模拟结果拟合压力降与流速的二次方关系。设拟合公式截距为0，为△p/△n=-19.015 019v2+11.982 632v。另外C212ρ=19.015 019，μα=11.982 632。计算得C2为31.044 93，α为1.493 328×10-6。3.2数学模型与求解方法冷却塔外部气流处于湍流流态，本工程采用雷诺时均化的湍流模型[5]对冷却塔外界气流分布的三维不可压缩流动进行数值模拟分析。采用稳态的流动模型进行模拟。连续性方程为：∂∂xiρuj¯=0 (3)动量方程为：∂∂xjρuiuj¯=-∂p¯∂xi+∂∂xjμ∂ui¯∂xj+∂uj¯∂xi-23δij∂ui¯∂xi+∂∂xj-ρui'uj'¯+S (4)能量方程为：∂∂xjρcpujT¯=∂∂xjλeff∂T¯∂xj=∂∂xjλ+cpμtσT∂T¯∂xj (5)水蒸气组分输运方程为：∂∂xjρujY¯=∂∂xjDeff∂Y¯∂xj (6)湍流脉动动能k方程为：∂ρui¯k∂xi=∂∂xiμ+μtσk∂k∂xi+μt∂ui¯∂xj∂ui¯∂xj+∂uj¯∂xi-ρε (7)湍流脉动动能耗散率ε方程为：∂ρui¯ε∂xk=∂∂xkμ+μtσε+∂ε∂xk+c1εkμt∂ui¯∂xj∂ui¯∂xj+∂uj¯∂xi-c2ρε2k (8)式中：P¯——平均静压力；δij——克罗内克尔符号；-ρui'uj'¯——雷诺应力或湍流应力；S——源项，可包含重力等体积力影响；i、j——张量指标；μt——湍流黏性系数或涡黏性系数，是空间坐标的函数，仅取决于流体流动状态而不属于物性参数，μt=cμρk2ε。其中，字母上有横线为物理量的时间平均值；字母带一撇为物理量的脉动值。在上述方程中，引入了2个系数(c1、c2)以及3个常数(σk、σε、σT)，根据经验确定常数取值。时均应变率特别大时，标准k-ε模型可能会导致负的正应力，该情况不可能实现。为了保证计算结果的可实现性，计算湍流动力黏度式中的cμ不应该是常数，而应与应变率联系起来。由此提出了Realizable k-ε模型。Realizable k-ε模型中的cμ为：cμ=1A0+AsU*kε (9)A0=4.0，As=6cos13arccos6SijSjkSkjSijSij3/2，U*=SijSij+Ω˜ijΩ˜ij，Ω˜ij=Ωij-2εijkωk，Ωij=Ω¯ij-εijkωk。式中：Sij——时均应变率，Sij=12∂ui∂xj+∂uj∂xi；Ω¯ij——从角速度为ωk的参考系中观察到的时均转动速率。结合数值计算模型尺寸较大、湍流发展充分的特点，本工程数值模拟采用Realizable k-ε模型，对近壁区流动的计算采用壁面函数和增强型壁面处理相结合的方法。采用有限体积法离散控制方程，压力与速度的耦合求解采用Couple算法。变量的离散采用二阶迎风差分格式。4计算结果与分析对某冷却塔组在夏季工况下的外流场进行三维稳态数值模拟，对结果进行处理和分析，得出了在冷却塔外部气流流动的速度场、压力场、温度场和水蒸气浓度场的分布并计算热回流率。4.1气流组织根据冷却塔组周围的环境气流运动轨迹，在计算区域范围内，环境气流在靠近建筑物时，建筑物高度以下的气流流动向主流方向两侧分散形成绕流，在建筑物背风面形成涡流区域。环境气流经过冷却塔时，部分气流在冷却塔组出风口的卷吸作用下呈向上流动的趋势。环境东南风时冷却塔出风气流轨迹如图1所示。环境为东南风时，冷却塔出口所有气流在流出后均向高空流去，在此流动过程中，由于顶棚面的阻挡作用，气流分成南北两个部分。南向部分中少量气流流回塔南侧室内；北向也有一定量的出口气流返回冷却塔进风口，产生热回流。直接热回流的产生主要发生在1#~7#冷却塔相邻的几个进风口处，主要由上游的8#~10#冷却塔的出口气流导致。8#~10#冷却塔处于上游位置，且出口风速相对较高，进风面距离建筑通向环境风口近，从气流轨迹方面分析，这几台冷却塔的热回流率应该较小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.F001图1环境东南风时冷却塔出风气流轨迹环境南风时冷却塔出风气流轨迹如图2所示。环境为南风时，在出口气流向上流动过程中，由于顶棚面的阻挡作用，气流分成南北两个部分。南向部分中少量气流流回塔南侧室内；北向也有一定量的出口气流返回冷却塔进风口，产生热回流。出口气流分成的南北两部分中，南侧部分在流动过程中更偏向西侧，导致西侧小编号的冷却塔更易产生热回流。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.F002图2环境南风时冷却塔出风气流轨迹环境北风时冷却塔出风气流轨迹如图3所示。环境为北风时，与环境东南风和南风时不同，由于顶棚面未将塔出口气流分为两个部分。分析气流轨迹发现，无明显的由出口气流直接回流导致的热回流。环境北风时的热回流率较南风和东南风时小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.F003图3环境北风时冷却塔出风气流轨迹4.2压力分布距离地面17.5 m处的静压力为相对于压力环境的相对压力，环境压力为1个标准大气压。由于冷却塔入口的抽气，冷却塔的进气口附近压力相对较低。各个环境风向不同时的压力分布总体区别不大。4.3温度分布不同环境风向下，塔组附近温度为37.6 ℃，部分冷却塔的进风口部分区域气流温度低于环境气流温度。由于环境气温是计算模型中的最高温度，此处的低温由冷却塔气流的返回引起。根据流动-扩散方程的相似理论，温度场与水蒸气浓度场的分布情况相似，无量纲的等水蒸气浓度曲面和无量纲的等温曲面相同，故不再重复绘制等水蒸气浓度面。4.4水蒸气浓度分布根据不同环境风向下距离地面17.5 m处的水蒸气浓度结果，冷却塔进风口处水蒸气浓度略高于环境水蒸气浓度。因为冷却塔房内通风条件差，进风口背面水蒸气浓度很高。根据不同环境风向下通过所有冷却塔出风口中心的竖直的水蒸气浓度分布情况，出风处的水蒸气浓度最高，随着气流流动，出风气流中的水蒸气逐渐扩散至周围环境气流中，水蒸气浓度逐渐降低。冷却塔放置房内，水蒸气浓度整体比环境高。4.5热回流率与塔外气流阻力不同环境风向下热回流与塔外气流阻力计算结果如表2和表3所示。在环境风向为东南、南、北时，冷却塔组的平均热回流率分别为3.38%、5.37%和2.37%。冷却塔塔外气流阻力较低，均为10 Pa左右。环境北风时阻力最小，最有利于进气。机械通风冷却塔所用风机应留有不小于上表内所对应气流阻力的余压，以保证风量不小于额定风量。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.T002表2不同环境风向下热回流计算结果风向1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#东南风4.064.123.973.834.164.473.901.262.981.03南风4.294.765.024.874.804.604.994.524.243.41北风0.051.233.255.301.215.022.814.091.281.15%10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.024.T003表3不同环境风向下的塔外气流阻力计算结果风向1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#东南风10.510.814.69.79.711.712.29.810.613.7南风10.910.414.410.39.010.59.88.19.112.1北风9.210.213.39.58.49.89.58.47.310.8Pa根据给定的冷却塔选型及布置区域，所得冷却塔组外流场CFD相关数值计算结果处于合理值，满足预期效果。为了使气流条件更好，冷却塔布置可略微调整为由西南向东北稍做错开，基础高度加高至2.5 m。5结语工程冷却塔选型不仅要满足图纸设计参数，还要充分考虑冷却塔布置区域的周边环境。对于基坑式环境，冷却塔选型需充分考虑综合能效，结合冷却塔摆放区域的气流组织条件，选取合适的冷却塔进风面、进风形式、塔体布置位置和基础高度，运用技术方法进行塔体选型、布置的可行性论证，对冷却塔组外流场进行数值模拟分析，确保选型严谨，运行效果优良。