核电厂冷却塔水汽抬升与液滴沉降规律数值模拟技术分析.pdf

第30卷第2期辐射防护Vol130No12
2010年3月RadiationProtectionMar.2010

核电厂冷却塔水汽抬升与
液滴沉降规律数值模拟技术分析

郭栋鹏1,2,3,姚仁太1,2

(1.太原理工大学环境科学与工程学院,太原030024;
2.中国辐射防护研究院,太原030006;3.太原科技大学环境科学与工程系,太原030024)

摘要:结合冷却塔的工作原理,简要分析比较了ORFAD、KUMULUS、ISCST3、ANLPUI、CFD等预测冷却塔
水汽抬升与液滴沉降规律的数值模型的优缺点。结果表明:使用三维流体雷诺运动方程的CFD模型是
目前预测冷却塔水汽抬升与液滴沉降规律的较好模型。其它模型均没有考虑水汽轨迹流线偏差与速度
的变化对水汽上升的影响,同时不能用于预测当冷却塔下风向有大型建筑物且粒径较大的粒子的抬升
与沉降规律。
关键词:冷却塔;水汽抬升;液滴沉降;数值模拟
中图法分类号:X169文献标识码:A

随着核电事业的不断发展,我国目前在内角度看,主要关注水汽的抬升高度、达到最大高
陆地区已作了大量的核电站选址工作,内陆核度时的下风向距离、水滴的沉积规律以及冷却
电站的冷却水系统工艺一般采用再循环冷却水塔对附近烟囱排放放射性烟羽的影响。
(设置冷却塔)系统,同大型火电厂采用的冷却在过去的一个世纪里,人们对冷却塔的性
塔再循环冷却方式类似。该工艺在正常工况能做了大量的研究工作。但是关于冷却塔水汽
下,可能导致冷却水以汽载形式排放。抬升与液滴沉降规律研究的报道还不多。欧美
冷却塔水汽对环境的影响主要有以下三方一些国家与日本的一些学者对冷却塔水汽的变
面:由于水汽中含有大量的水蒸气,水汽是白色化规律进行了简单的实验室研究与现场跟踪试
不透明的,会影响视觉;水汽中水蒸气会凝结成验,并且得出了一些计算模型。
水滴,可能会对烟囱排放的放射性污染物产生Andreopoulos[2,3]通过风洞试验研究了冷却
一定的影响或在冷却塔下风向形成降水,如在塔烟气的尾流与烟羽扰动的相互关系,
冬天,还可能在地面上结冰;水汽抬升到空中会Kennedy、Fordyce[4]和Jain、Kennedy[5]通过风洞
形成云,如果抬升到较高的高度,和积云合并,试验研究了机械通风冷却塔烟羽与风向的关
可能促进降水。Hanna[1]指出,火电厂从冷却塔系,Takenobu[6]等人在风洞试验室用示踪气体
排放的能量相当于产生电能的2倍,而浪费的代替机械通风冷却塔水汽的手段研究了冷却塔
能量中超过一半是以潜热的形式排放。从环境烟羽的扩散范围及其热转换规律。Hanna[7]等

收稿日期:2009-05-27
基金项目:国家/十一五0核能开发资金资助项目。
作者简介:郭栋鹏(1978)),男,2006年毕业于太原理工大学环境科学专业,获硕士学位,现为中国辐射防护研
究院与太原理工大学联合培养博士研究生,讲师。E-mail:[e-mail]
通讯作者:姚仁太。E-mail:[e-mail]
郭栋鹏等:核电厂冷却塔水汽抬升与液滴沉降规律数值模拟技术分析#103#

人报道了1976年美国对ChalkPoint电厂冷却来越多人对火电厂烟塔合一技术开始研究,然
塔进行的液滴尺度谱的颜料示踪试验研究,结而大都只关心脱硫效率与冷却塔的散热能
[16,17]
果表明:自然通风冷却塔的液滴直径大约在10力,同时也有一些学者对火电厂冷却塔烟
~1400Lm范围,其中,10~70Lm直径范围约羽扩散做了相关的数值模拟的研究[18,19]。
占总质量的56%。直径小于200Lm的液滴,受到目前为止,我国百万千瓦火力发电厂的
大气湍流的影响强烈,它们的运动基本可用传冷却塔最大直径约为120m,内陆核电厂冷却
统的高斯模式处理。塔直径可能在170m左右,属大型冷却塔,因此
Hanna[1]指出,可以应用Briggs关于干烟羽我国对核电厂冷却塔水汽抬升与沉积规律研
抬升公式计算冷却塔水汽的抬升,但是浮力通究,对于大型火电厂也具有一定的指导意义。
量应该包括水汽凝结潜热所释放的热量而增加本文主要对几种冷却塔水汽抬升和液滴沉
的浮力,其它参数可应用比湿的虚温等计算。降规律的数值模型进行分析和比较。
不过,这种方法受到了其它科学家的质疑。
Weil[8]给出了在稳定条件下,饱和环境中的饱1冷却塔的工作原理及分类
和烟羽抬升轨迹、最大抬升高度和达到最大高1.1冷却塔的工作原理
度时的下风向距离的解析表达式,该式具有重冷却塔是利用水和空气的接触,通过蒸发
要的实用意义。同时Weil给出了一个计算实作用来散去工业上或制冷空调中产生废热的一
例:他发现,当环境温度梯度分别为„=-dTP种设备。基本原理是:干燥(低焓值)的空气经