对流传热与传质主要研究三大基本传热方式中的对流，以及由对流引起的物质传递（传质）现象。对流传热不同于其他两种传热的典型特征是有粒子的宏观移动。

现实中很难找到单纯的对流，往往都伴随着传导传热。因此，确切的说，我们研究的是对流换热。为了描述对流换热，首先引入了一些物理量。这些物理量用来描述对流换热过程或者方程。牛顿冷却公式没有描述对流传热的本质，不过因为引入了对流换热系数h，而将对流换热的矛盾转移到求解h上来。只要求得了h，对流换热问题就算是解决完毕了。能够影响h的因素很多，比如速度、密度、容器几何形状、粘度、温度、重力、温度扩散系数等等。这么多的未知量给求解带来了困难。运用相似原理和量纲分析法，导出若干无量纲参数，极大地方便了求解问题的过程，也为设计、验证铺平了道路。这些无量纲参数不是凑出来的巧合，而一般都有着明确的物理意义，成为判断物理现象的依据。

从一般到特殊。我们首先研究了最一般形式的对流现象。导出了封闭的方程组，其中包括纳维-斯托克斯方程、连续性方程、能量方程、扩散方程以及本构关系。这些方程，和流体力学中的方程组是完全一样的。去解原始的方程是很难的，至今只有少数集中现象获得了严格的分析解。为了获得更多的分析解，普朗特提出了划时代意义的边界层假设，并利用数量级分析法化简了方程。引入了边界层之后，物理图像更加清晰，矛盾更加突出了。普朗特认为，不论流体粘性大小，在靠近壁面的一个小薄层内都应当看成是粘性流动，而边界层之外则可以视为无粘流动。后来，又相继提出了热边界层、焓边界层等，逐渐建立起来边界层的完整理论。

边界层的发展是一个有趣的问题，对于对称内部流动，最终会在对称线上汇合，形成对称的边界层；对于外部流动，边界层的发展，则一般会形成湍流。冯卡门提出湍流三层模型，在初始段是层流边界层，随着粘性力变小，惯性力起到了主要作用，使得流动不稳定，开始向湍流过渡，形成一个过渡区域，最后湍流完全发展，层流边界层变成只有一个很薄的区域，称为粘性底层。因为雷诺数Re描述了惯性力和粘性力的关系，所以，基本上雷诺数决定了这三层的相对发展情况，并成为一个判据。有了这些概念之后，研究了一些典型的实例。这些实例按照流态分为湍流和层流，按照流动范围则分为了内部流和外部流。所谓内部流，就是指的在容器内部流动，比如管道。外部流指的是在容器外部流动，比如外掠平板。二二得四，共有四种形式。每种形式又将研究动量传递和热量传递两个主要课题，所以，主要内容就是这么八大块。这里考虑的都是强迫对流，自然对流，将单独拿出来考虑。前面说过，核心问题集中于求h，而努赛尔数Nu=hL/k，集中反映了对流和导热，因此成为传热问题的核心。而雷诺数反映了运动状态，普朗特数Pr反映了流体物性。所以，归结起来可以这么说，对流传热问题就是求解出Nu=f(Re,Pr)。认识到这一点，面对大量的乱七八糟的公式也就不至于迷失方向了。我们这种方式都是在寻找解析解，如果是数值解用不着这么费劲。解析解又可以分为两种，一种是精确解，一种是近似解。精确解实在内部流动得出的，因为内部流动中我们能明确的求出速度剖面，明确边界层的边缘。而在外部流动，我们一般必须首先假设速度剖面形状，并假设所有的速度剖面对视相似于这个剖面的。并且不能找到一个明确的边界层边缘。在外部流动的时候，使用积分方程式又必须指定一个积分上限，因此会对边界层进行截断。这就产生了误差。值得庆幸的是，这个误差是完全按可以接受的。典型的层流内部流动模型就是圆管内的流动，以及管套内的流动。典型的层流外部流动就是外掠平板。湍流的情况比较复杂，首先引入了雷诺输运和雷诺时均的概念，用模型化的方式给出了用于湍流的方程。由于引入了新的变量，导致方程组不封闭，必须引入新的方程。因如方程有多种方式，其中普朗特混合长，k-e方程都是封闭方程组的方式。

应该说，上面研究的都是典型的，特殊的。我们只考虑了充分发展段，不考虑物性的变化和其他一些可能会因条件不同而变化的状态。但是，获得的研究方法和研究结果却是很重要的。最后，研究了自然对流的性质，引入了格拉晓夫数Gr。也研究了简单的传质现象。之所以没有花大力气研究传质，是因为我们已经深刻的研究了对流传热现象，而从方程形式上来看，传热和传质的方程是完全类似的，因此，可是使用相似规律，导出传质的规律。这也是相似定理的重要应用之一：用廉价的传热实验去模拟高昂且不易测量的传质实验。

自然通风逆流湿式冷却塔作为有效的冷却设备,广泛用于电站热力系统循环水的冷却,其冷却性能直接影响电站冷端系统的安全经济高效运行。冷却塔内气-水两相间复杂的传热传质极易受环境空气温度、湿度及侧风的影响。环境侧风可破坏无侧风时塔内轴对称的空气动力场,引起冷却塔进风口风速周向分布不均,弱化冷却塔传热传质,对电站热力系统的高效节能运行产生不利影响。冷却塔传热传质区由配水区、填料区和雨区组成,因各区在塔内的位置及其结构的不同,侧风对各区传热传质有着不同的影响机理。为明确环境侧风对冷却塔传热传质的影响机制,以更为有效地提高冷却塔冷却性能,有必要针对环境侧风对塔内各区传热传质的影响机理进行深入地系统研究。 本文建立了侧风条件下自然通风逆流湿式冷却塔传热传质分析的三维数值计算模型,对侧风条件下冷却塔空气动力场及塔内气.水两相间的传热传质进行了三维数值计算,研究了侧风对冷却塔各区传热传质及其冷却性能的影响机理,以及侧风条件下导风板、十字隔墙等控风方案的作用机理及其耦合。并基于冷却塔的热态模型试验和现场运行试验,对所建三维数值计算模型进行了验证,为侧风下冷却塔冷却性能评价理论模型的建立奠定了基础。主要研究工作如下: (1)侧风条件下,冷却塔气-水两相间传热传质数学模型的完善。基于塔内气-水两相间传热传质的基本原理,分析了气-水间对流传热和对流传质的类似性,指出了冷却塔传热传质传统数学模型的不足,其中一维模型和二维模型无法考虑环境侧风的影响,已有三维模型采用水滴代替水膜近似模拟填料区传热传质,降低了侧风下冷却塔传热传质性能计算分析的准确性。本文修正了冷却塔内空气和水物性参数的计算方法,充分考虑了侧风条件下塔内空气和水两相温度、速度、含湿量等参数的三维分布对局部传热传质的影响,在侧风条件下引入了修正的国Le_f因子关联式实现了填料区空气和水膜间对流传热系数和对流传质系数计算的三维关联,参考离散相模型计算了空气和水滴两相间的对流传热系数和对流传质系数,在侧风条件下建立了完善的塔内气-水两相间传热传质的三维数学模型,为研究侧风对冷却塔传热传质的影响机制奠定了理论基础。侧风条件下,自然通风逆流湿式冷却塔传热传质分析三维数值计算模型的建立。结合侧风条件下塔内气-水两相间传热传质的三维数学模型,采用标准κ-ε湍流模式和标准壁面函数法分别对空气运动控制方程进行湍流封闭和近壁区处理,建立了侧风条件下冷却塔传热传质分析的三维数值计算模型。结合实测侧风工况,验证了所建三维数值计算模型的正确性,对计算结果进行了网格独立性的考核,得到了与网格无关的数值解,研究了侧风廓线指数和雨滴当量直径等关键参数对计算结果的影响,结果表明所建三维数值计算模型可准确分析研究环境侧风对自然通风逆流湿式冷却塔传热传质的影响机制。

环境侧风对冷却塔传热传质影响机理的研究。结合实测侧风工况,从数值计算的角度研究了侧风对冷却塔雨区横截面空气动力场、纵剖面空气动力场的影响,引入了横向通风量、纵向通风量和总体进风量等概念,为分析环境侧风对冷却塔各区传热传质的影响机理创造了理论条件。环境侧风对于冷却塔进风口空气动力场影响机理的研究。由环境侧风对进风口径向压力梯度和径向进风风速周向分布的影响,分析研究了横向通风量出现的原因和纵向通风量降低的机理。侧风条件下,导风板控风方案对冷却塔进风口空气动力场及塔内各区传热传质影响机理的研究。结合实验数据,从数值计算

的角度研究了导风板对冷却塔各区平均传热系数和平均传质系数、各区冷却水温降及冷却水总温降等性能参数的影响。指出导风板可有效改善冷却塔进风口空气动力场,实现侧风下填料区传热传质的强化,从而可在侧风条件下有效提高冷却塔总体冷却性能。侧风条件下,雨区十字隔墙对冷却塔各区传热传质影响机理的研究。结合实验数据,从数值计算的角度研究了不同形式的十字隔墙,在不同风速的外界侧风作用下,在不同的安装位置时,对于塔内各区传热传质的影响机理,获得了最佳的十字隔墙安装位置与最佳的十字隔墙形状。侧风条件下,导风板与十字隔墙两种控风方案对冷却塔冷却性能耦合作用的研究。结合实验数据,从数值计算角度,分析了导风板和十字隔墙对冷却塔冷却性能的耦合作用:对于带十字隔墙的冷却塔,导风板可实现冷却塔总体冷却性能的强化;对于已安装导风板的湿式冷却塔,间隙十字隔墙对冷却塔总体冷却性能的影响与无导风板时的情况基本近似。

工业生产中所用的冷却塔因冷却水与空气直接接触,水质容易受污染,蒸发式冷却器因其环保、节能、洁净等优点,广泛应用于化工、冶金等行业。在目前蒸发式冷却器试验研究、数值计算和CFD模拟的基础上,本文将试验研究、数值计算和CFD模拟相结合,研究了蒸发式冷却器的传热传质过程,分析了其热力性能。

主要研究工作和结论如下：搭建了蒸发式冷却器的试验测试平台,测试不同工况下的热力性能,分析了喷淋水流量、风速和空气湿球温度对管内冷却水出口温度、喷淋水温度、空气出口焓值和传热系数等的影响,当喷淋水流量达到最小喷淋密度时,换热量随喷淋水流量的增加几乎不变,拟合得到了喷淋水膜对流传热系数和水膜对空气传质系数经验公式。从传热传质基本原理出发,分别针对Poppe和Merkel假设,构建了蒸发式冷却器的数学模型,分别建立了对Poppe法和Merkel法的一维和二维Matlab计算流程和相应计算程序,并与椭圆管型蒸发式冷却器的试验数据对比,一维和二维模型计算所得的管内冷却水出口温度几乎一致,结果表明采用一维模型即可准确计算预测其热力性能；Merkel法与Poppe法所得的沿盘管高度方向的热流密度分布比值在1.01-1.06之间,致性较好；Poppe法预测的出口空气温度和含湿量更接近试验测试值,而且稳定性更好。建立了基于Poppe法的空气处于过饱和情况下的分段计算模型,计算前先判断微元单元空气是否过饱和然后选择相应的微分方程求解,理论分析预测了空气饱和度对换热量、管内冷却水出口温度,空气出口干球温度、含湿量分布及焓值分布的影响,对于过饱和的情况,假设为非饱和情况对于准确预测管内冷却水出口温度和设备换热量是非常有效的；但如果空气过饱和,采用非饱和的Poppe法假设无法准确预测出口空气的干球温度和含湿量；过饱和情况容易发生在空气干球温度较低时。采用CFD软件——ANSYS FLUENT中的Species transport without reactions模拟分析蒸发式冷却器的热力性能和流场分布,结果表明：标准k-ε模型和非平衡壁面函数是预测圆管和椭圆管型蒸发式冷却器热力性能的最佳组合。将数学分析模型与FLUENT模拟相结合来预测蒸发式冷却器的热力性能,对比了试验、数学分析模型和FLUENT所得的数据,验证了FLUENT模拟的可行性；同时对比数学分析模型与FLUENT模拟所得的含湿量和温度分布。

采用FLUENT模拟分析了旁路流、管型和椭圆管排列形式对蒸发式冷却器性能的影响。随着旁路宽度的增加,旁路面积占最小流通面积的比例增加,流经旁路的空气占总空气流量的百分比增加,通过这些旁路的空气,没有充分参与传热传质,导致出口空气焓值下降,设备换热性能降低,影响其使用经济性和高效利用性。因此,在蒸发式冷却器的安装过程中,满足管束与箱体最小装配间隙时,应尽量避免过大的间隙；对比分析了圆管和3种不同长短轴比的椭圆管的热力性能,包括出口空气焓值、传质柯尔本因子、旁路流所占比例以及局部的流线和含湿量等值线,椭圆管的传质柯尔本因子高于圆管；通过对椭圆管排列形式的模拟,发现：随着管束与空气竖直方向流向夹角的增大,流线弯曲程度增加,湍流程度增大,传质过程得到强化。

侧风作用下湿式冷却塔的热态模型实验研究和现场运行实验研究。通过实验室冷却塔的热态模型试验,在无导风板、有导风板、无十字隔墙、有十字隔墙、导风板与十字隔墙并存、十字隔墙布置方式和形状变化、进塔水量变化和进塔水温变化等不同条件下,分析了侧风对模型塔冷却性能的影响规律,并与所建三维数值计算模型针对实型塔的相关数值计算分析进行了对比,验证了侧风条件下冷却塔冷却性能相关数值计算分析的正确性。通过已采用导风板冷却塔的现场试验和数值计算分析,进一步验证了所建湿式冷却塔三维数值计算模型的正确性。对比相同气象条件下运行的无导风板冷却塔现场试验,进风口进风相对偏离度的实验数据表明侧风条件下导风板控风方案可实现冷却塔进风口空气动力场的优化。侧风条件下,自然通风逆流湿式冷却塔冷却性能评价理论模型的建立。分析了冷却塔常规设计和性能评价方法,指出常规方法未考虑环境侧风影响。研究了侧风条件下冷却塔冷却数、冷却特性数、当量通风量以及总体阻力系数等的确定方法,并基于形体阻力的概念,分析了冷却塔各部分阻力系数,提出了与侧风影响下冷却塔空气动力场结构有关的冷却塔流场结构阻力系数,建立侧风条件下冷却塔冷却性能评价的理论模型,给出了性能评价指标,实现了相同气象条件下运行的冷却塔冷却性能的横向比较,并结合工程实例进行了性能评价。 本文的研究结论,阐明了环境侧风对大型自然通风逆流湿式冷却塔配水区、填料区和雨区等各区传热传质的作用机理,为进一步在侧风条件下强化冷却塔内气-水两相间的传热传质、提高自然通风逆流湿式冷却塔的冷却性能奠定了理论基础,并为侧风条件下自然通风逆流湿式冷却塔冷却性能的科学评价提供了一个新方法。