1. 引言
随着我国经济的高速发展和气候的不规律变化，南方夏热冬冷地区的供暖需求会逐渐增长起来，但是由于供暖方式不科学、设备能效低，能源没有合理的利用而遭到了极大的浪费。热源塔热泵技术应运而生 [1] 。
热源塔热泵技术作为一种新型的空调节能技术，与冷水机组夏季制冷、锅炉冬季供暖的方案相比较，其取消了锅炉等辅助热源，其设备利用率更高，初投资更小且无环境污染问题。冬季运行时，利用溶液与环境空气进行换热，从空气中吸取热量作为机组的低位热源，从而彻底避免了空气源热泵冬季制热运行时存在的室外换热器结霜问题。与地埋管地源热泵系统相比，热源塔热泵系统不受地质条件和环境的限制，也没有吸热量和放热量失衡的问题，适用范围较广泛。由于开式热源塔结构简单、造价低、换热效率高，目前在工程上的应用 [2] 相对较多；因此本文主要分析开式热源塔在夏热冬冷地区的供暖性能 [3] - [8] ，从而推动该技术在工程中的合理应用。
2. 研究对象
本课题选用厂家型号E-12S热源塔为研究对象，为了便捷计算，只研究开式横流热源塔的换热部分，对模型进行简化处理如图1所示。
3. 数值模拟方法及边界条件
3.1. 离散相(DPM)模型
离散相模型是两相流动的一种模拟方法，本课题的热源塔模型中，由于液滴的体积分数远小于10% [9] ，液滴在换热过程中满足均匀的球形，并且不会变形。因此，忽略两相之间的相互作用和液滴的相互碰撞，采用离散相模型对其内部热质交换过程进行数值模拟。在DPM模型中，将空气作为连续相，使用欧拉法来求解；而将水滴轨迹作为离散相，使用拉格朗日法来求解 [10] 。
3.2. 边界条件和参数设置
热源塔尺寸参数：冬季各项参数：
在空气传导方向热源塔宽度：7200 mm：大气压力：1.021 × 105 pa
垂直于纸面的该热源塔长度：5000 mm：空气进口温度：3℃
填料高度：4800 mm：抗冻溶液密度：1.0 × 103 kg/m3
填料宽度：1200 mm：抗冻溶液比热容：3.62 kJ/(kg.k)
风机直径：4600 mm：溶液进口温度；−3℃
溶液进口流量：450 m3/h
3.3. 网格划分
本课题使用ICEM对热源塔模型网格划分，网格类型采用结构化六面体网格 [11] [12] [13] [14] [15] 。在划分网格时，假如网格数量太少，计算结果容易收敛，但是结果精确度较低，假如网格数量太大，计算结果精确度比较高，但是计算量过大，对计算机的要求也比较高。综上，热源塔结构图如图2，本次模拟网格如图3所示。
3.4. 模型的验证
利用Fluent软件对实际工况下的热源塔进行数值模拟，得出热源塔出塔模拟水温，将其与实际测试
Figure 2. Appearance of heat source tower
图2. 热源塔外观图
所获得的出塔水温进行比较，结果如图4。
从图4可以看出，数值模拟结果与实验结果基本吻合，表明该模拟结果比较准确，模型可以进一步研究热源塔的性能。
4. 结果分析
当塔内其他参数不变时，随着热源塔进风口的进风速度的变化，塔内的速度场、压力场的分布及变化情况，并且分析各个流场之间的关系。
1) 风速为2 m/s的热源塔计算：
Figure 3. Grid diagram of heat source tower
图3. 热源塔网格图
Figure 4. Comparison diagram of simulation and experiment
图4. 模拟与实验对比图
由图5看出，塔内压力以中心线为轴成对称分布。由于风机具有抽吸作用，塔中压力从塔底沿出风口逐渐减小，塔内压力值在塔的出口处出现最小值−20 Pa。同时由于塔是在进风口的两侧对称进入空气，因此在塔中心线靠近塔底部处出现了压力最高区域，达到最大压力2.09 Pa。
由图6看出，空气进入塔后速度方向从水平逐渐转变为竖直向上，并以均匀的流速流经填料层，最后从上方的空气出口离开热源塔。由于风机在顶端的抽吸作用，在塔内的中心区，气流的速度由下而上逐渐在增加，在与向下流动的水粒子接触时速度的增加开始减缓，最后在塔上部的出口处达到了最大速度5.98 m/s。而在塔底中间处出现了1.2 m/s最小的气流速度，这是由于塔的进风口左右相互对称，所以在热源塔进风口底出现了一个空气低速流区。
2) 风速为4 m/s的热源塔计算：
图7显示了开式横流热源塔塔压力分布，从图显示可以看出，热源塔的压力场的分布基本上是以塔的中心线为轴成对称分布。随着热源塔的进口风速增大，塔内压力由塔底到出口的数值也逐渐变大。同时，进口风速越大，塔内压力值变化的幅度越大。当进口风速为4 m/s时，在热源塔中心线的底部压力的
Figure 5. Pressure of heat source tower
图5. v = 2 m/s热源塔压力图
Figure 6. Velocity of heat source tower
图6. v = 2 m/s热源塔速度图
数值达到最大值8.47 Pa，从热源塔的底部到出风口的这段区间里，塔内压力沿着垂直中心线逐渐在降低，在塔出风口顶部到达最低值−79 Pa。
由于开式热源塔进风口结构采用的是对称进风口，因此得到的速度场分布基本上是对称的。在热源塔其他参数不变的情况下，进风口处风速逐渐增大，单位时间的通过的风量也增加，使得塔内的空气流动加快，速度也随之增加。当进口风速为4 m/s时，空气在出风口的速度达到了最大值11.9 m/s (图8)。
3) 风速为6 m/s的热源塔计算：
图9可以看出，随着热源塔的进口风速增大，塔内压力由塔底到出口的数值也逐渐变大。同时，进口风速越大，塔内压力值变化的幅度越大。当进口风速为6 m/s时，在热源塔中心线的底部压力的数值达到最大值19.1 Pa，从热源塔的底部到出风口，塔内压力沿着垂直中心线逐渐在降低，在塔出风口顶部到达最低值−177 Pa。
图10可以看出，在热源塔其他参数不变的情况下，随着进风口处风速逐渐增大，塔内流速也随之增大；当进口风速为6 m/s时，空气在出风口的速度达到了最大值17.9 m/s。
对比图6、图8、图10可以看出，随着热源塔进口风速的增加，热源塔内压力逐渐增大。由图6、图7、图10可以看出，在热源塔其他参数不变的情况下，随着进风口处风速逐渐增大，出风口风速最大
Figure 7. Pressure of heat source tower
图7. v = 4 m/s热源塔压力图
Figure 8. Velocity of heat source tower
图8. v = 4 m/s热源塔速度图
Figure 9. Pressure of heat source tower
图9. v = 6 m/s热源塔压力图
Figure 10. Velocity of heat source tower
图10. v = 6 m/s热源塔速度图
Table 1. Water temperature of heat source tower
表1. 热源塔出塔水温
达到了17.9 m/s。
4) 出塔水温的计算
在热源塔内从顶端到出口端中也等间距取的十个节点，求得其出口水温，出口水温值见表1。
由表中数据可以看出，在同一进口风速下，出塔水温基本上是从塔顶向出口端方向的出塔水温在逐渐上升。当进口风速从2 m/s到6 m/s变化时，平均出塔水温逐渐降低。
5. 结论
本文使用Fluent流体分析软件对实际运行的开式横流热源塔内的传热和传质的过程进行了数值模拟，分析了热源塔进风口速度对塔内流体传热及传质的影响，得出以下结论：
1) 由于热源塔的进风口是对称的，因而塔内压力场、速度场的分布是基于塔的中心线为对称的图形。进口风速不仅影响着塔内空气的速度场和压力场分布，而且对塔的出塔水温也有一定的影响。
2) 热源塔进风口速度从2 m/s到6 m/s增加时，塔内空气的压力随着进口风速的增加而增大，压力值由△P = 2.09 Pa变化到△P = 19.1 Pa，其增长比3.05%；从热源塔的底部到出风口，塔内压力沿着垂直中心线逐渐在降低，在塔出风口顶部到达最低值−177 Pa。
3) 随着进口风速的增加，热源塔单位时间通过的风量也增加，使得塔内的空气流动加快，塔内空气流动速度也在增加，塔内的最小速度为1.2 m/s，而最大速度达到17.9 m/s。
4) 进口风速的增加使空气与水滴接触的时间变短，传热和传质减弱，导致热源塔出塔水温稍有降低趋势，热源塔换热性能降低。进风速度为2 m/s时，热源塔出水温度为275.08 K；改变进风速度为6 m/s，出塔水温变为273.766 K，下降比为0.477%。综上，当进风速度在2 m/s~4 m/s时，热源塔的出水水温较高，换热性能较好。
基金项目
江苏省扬州大学研究生实践创新计划项目SJCX17_0627。