《Case Studies in Thermal Engineering》：A novel method for enhancing the thermal performance of mechanical draft cooling towers through the integration of induced and forced draft fans
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为解决诱导通风冷却塔内部区域性能恶化的问题，研究人员提出了一种集成诱导通风与强制通风风机的新型混合通风冷却塔构型。研究人员建立了三维数值模型以评估所提混合通风冷却塔的热特性，分析了强制通风风机不同安装位置下的速度与温度分布，并系统评估了若干关键运行参数对该混合
为解决诱导通风冷却塔内部区域性能恶化的问题，研究人员提出了一种集成诱导通风与强制通风风机的新型混合通风冷却塔构型。研究人员建立了三维数值模型以评估所提混合通风冷却塔的热特性，分析了强制通风风机不同安装位置下的速度与温度分布，并系统评估了若干关键运行参数对该混合通风冷却塔性能的影响。结果表明，强制通风风机产生的气流增加了内部区域的水平速度，从而增强了整体冷却效果。在所有研究的构型中，HCT2表现出最优性能，在进水温度42?°C的条件下最多使出水水温降低0.56?°C。HCT2的优越性无关喷水密度，但受益于较高的进水温度。在不同横风条件下，由于迎风侧横向涡的衰减，HCT2的性能优于常规塔，气水比(air-water ratio)最大增加9.1%，出水水温最大降低0.45?°C。本研究为混合冷却塔的优化设计与高效运行提供了理论基础。
该研究发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。目前机械通风湿式冷却塔作为电厂等关键换热设备，其热性能直接影响机组经济性。传统诱导通风冷却塔(ICT)存在内部区域通风不足、性能恶化的缺陷，尤其在横风作用下迎风侧易形成横向涡，进一步削弱传热。虽已有百叶窗、导流板等被动装置改善流场，但主动动量注入的混合通风技术在机械通风塔内的传热行为研究尚显不足。为此，研究人员提出一种同时配备诱导通风与强制通风风机的混合机械通风冷却塔(HCT)，旨在解决内部区域性能缺陷并探究其在多变工况及横风下的机理。
研究人员开展了以下主要关键技术方法的研究。首先建立四种不同强制通风风机位置的HCT几何模型即HCT1至HCT4，设定关键结构参数。采用基于雷诺平均纳维斯托克斯方程(RANS)的气流控制方程与水滴垂直运动的水流控制方程，引入填料区与水滴区的源项描述传热传质。利用Fluent平台采用混合物模型、物种输运模型及RNG k-ε湍流模型进行三维数值模拟，通过风扇边界条件定义风机压升关系，并以SIMPLE算法耦合压力速度。通过网格独立性验证及与文献现场测量数据对比验证了模型的准确性。
3.1. Analysis under windless conditions
在无风条件分析中，研究人员通过对比ICT与四种HCT的流场与温度场发现，强制通风风机显著提升了内部区域水平流速并降低速度沿深度方向的衰减率。其中HCT2因强制通风风机距地面较近，与地面相互作用削弱环形涡结构，展现最优通风性能。定量显示HCT2出水温度较ICT降低0.35?°C，填料的填充区(fill zone)温降变化显著，表明强化效果主要源于填料区性能提升。
3.1.2. Influence of water spray density on tower performance
关于喷水密度影响的探讨指出，在水喷雾密度3.3至4.2 kg/(m2·s)范围内，HCT2各项性能指标均优于ICT，且两者性能差距受喷雾密度变化影响甚微。因空气侧阻力主导传热且填料阻力系数随密度变化弱，强制风机带来的风速增量及冷却增益近乎恒定，表明现有塔无需随流量实时优化风机转速。
3.1.3. Influence of inlet water temperature on tower performance
进水温度影响分析表明，随着进水温度从33?°C升至42?°C，HCT2与ICT的出水温差从0.27?°C扩大至0.59?°C，气水比、Merkel数及传热系数增幅分别为2.5%、6.5%与5.9%。证明混合通风构型在高温进水工业过程及炎热气候下优势更显著。
3.2. Analysis under crosswind conditions
在横风条件分析中，各方向横风下HCT2性能均优于ICT且高速时增强效应更明显。90°方向横风速度18 m/s时改善最大，气水比增9.1%，出水温降0.45?°C。流场机制揭示强制通风射流削弱迎风侧横向涡强度约25%并使涡向外迁移，改善内部流场均匀性，在180°方向亦增强深部通风。
3.3. Techno-economic analysis
技术经济分析显示，以1000 MW机组配20座塔年运行5500小时计，增设强制风机的改造方案静态投资回收期约3.91年，动态约4.59年，净现值274.4万元，具经济可行性。强制风机位于进风口外受腐蚀少且易维护，同时因温降增加可节水约4.0%并有抑制羽雾潜力。
讨论部分指出该研究通过数值调查分析了不同强制风机位置下混合塔的流动传热特性及关键参数与横风影响。结论部分翻译如下：
(1) 强制通风风机通过增加内部区域水平流动距离并改善整体通风性能显著提升热性能。所有构型中HCT2表现最优，因其以最弱涡强度改善冷却性能，在进水42?°C时较常规塔出水温降0.56?°C。
(2) HCT2相对于常规塔的优越性无关喷水密度变化，在研究密度范围内出水温差维持0.34～0.36?°C。随进水温度升高，HCT2与常规塔出水温差逐渐扩大，表明强制风机增益在较高进水温度下更显著。
(3) 横风条件下各方向与速度下HCT2均优于常规塔，高速时增强效应显著。归因于强制风机衰减迎风侧横向涡，有效缓解横风对进气的负面影响。最大改善在18 m/s、90°方向，出水温降0.45?°C，气水比、Merkel数、传热系数分别增9.06%、10.62%、20.16%。
局限性包括数值模型忽略雨区水滴水平偏转及相对湿度影响，未来将建立离散相模型追踪轨迹并采用响应面法或遗传算法探索设计空间及评估环境可持续性。
