自然通风逆流湿式冷却塔是目前我国电力行业应用最广泛的冷却塔型式,其冷却性能的好坏直接影响电站机组的安全经济运行。冷却塔性能会受到本体结构、环境参数和循环水参数等诸多因素的影响。其中,环境侧风对冷却性能的影响日益受到人们的重视,并提出了十字隔墙和导风板等控风措施,但对环境侧风以及控风措施的影响机理并未作出系统化地理论研究。此外,对于规模日益庞大的超大型冷却塔来说,即使在无风条件下,塔内的气水参数分布也变得极不均匀,目前通过调整塔内淋水密度和填料厚度分布的做法并未明显改善冷却性能,因此有必要研究塔内气水参数分布与冷却性能的关系,并提出合理有效的优化措施。鉴于此,本文从热态模型实验、正交统计分析、三维数值计算和空气动力场优化理论分析等几个方面着手,研究了变工况下环境侧风对冷却塔热力性能的影响规律以及十字隔墙和导风板等控风措施对冷却性能的作用机理,还研究了无风工况下塔内空气动力场的分布规律并提出了优化和重构塔内空气动力场的有效措施。进行的主要工作如下：(1)完善现有的自然通风逆流湿式冷却塔热态模型实验台。采用双层中空隔热隔音玻璃将模型实验台隔离成一个小型密闭空间,增设空调系统和加湿除湿装置,联合已有的环境侧风模拟风机,把原来的实验台架改造成为可变循环水参数、可变环境侧风速度、可变空气热物性的全功能冷却塔热态模型实验台,形成一个空气温度、湿度及侧风可控的环境模拟系统,可以降低环境参数波动所造成的实验误差,增强实验结果的纵向和横向可比性,还可以用来研究环境参数变化对冷却塔性能的影响。(2)首次设计了热态模型实验中的冷却塔通风量直接测量系统。在模型塔出风口安装通风管道,将出塔湿空气直接引至室外,在通风管道上安装精密皮托管测量空气流速,进而求得通风量。对通风管道进行优化设计计算以使阻力最小,并在通风管道出口设置引风机来补偿抽力以抵消安装通风管道所引起的附加阻力,补偿值由模型塔出风口的压力反馈来确定。该系统可以直接测得冷却塔实际通风量,以研究环境侧风对冷却塔通风性能的影响。(3)为了将前人的研究和本文所做的工作系统化,提出了湿式冷却塔的最优空气动力场理论：在通风量一定的条件下,当冷却塔内部各有效换热横截面上的空气速度场、温度场和湿度场处处一致时,气水之间的传热传质驱动力处处相同,气水换热强度均匀分布,冷却塔的整体冷却性能最佳,定义此时冷却塔内部的空气速度场、温度场和湿度场分布为湿式冷却塔的最优空气动力场。任何趋近最优空气动力场的措施均可以提高冷却塔性能。(4)基于湿式冷却塔热态模型实验台,研究了不同环境温度、循环水量和进塔水温下环境侧风对冷却塔热力性能的影响规律,结论如下：存在临界侧风速度vcr对应于侧风下冷却性能的极小值,即当侧风速度vc<vcr时,冷却性能逐渐降低；而当vc≥vcr时,冷却性能又会逐渐提高。定义了侧风弗劳德数本文实验满足Frc相似。若要保持相同的冷却塔运行状态,侧风速度v。应该与抽力相关项、同比变化。当环境温度降低、循环水量和进塔水温增大时,冷却塔抽力均会提高,临界侧风速度随之增大。广义上来说,环境参数、循环水参数和冷却塔结构参数均可使临界侧风速度发生变化。将侧风速度vc无量纲化为vc与填料上部气流速度vf之比vc/vf,记为无量纲侧风速度Vc。实验结果显示Vcr=4,即已知vf,便可求得vcr。(5)通过冷却塔周向进风速度测试、进风均匀性分析以及计算和实测通风量的对比分析研究了环境侧风对冷却塔空气动力场的影响规律,结论如下：定义了进风均匀系数Cu,v以定量描述冷却塔周向进风均匀性,表征塔内空气动力场周向分布的好坏。当通风量一定时,Cu,v越大则塔内空气动力场越均衡,传热传质越均匀,整体冷却性能越好；反之,Cu,v越小则塔内空气动力场差异越大,冷却效率就越低。对实验通风量Ge与计算通风量G进行比较发现,当vc<vcr时,无风时的中心轴对称空气动力场遭到破坏,冷却塔进风均匀性变差,Cu,v减小,此时进风口无空气出流现象,实验通风量Ge和计算通风量G差别不大,均呈减小趋势；而当vc≥vcr时,进风均匀性进一步降低,背风面出现穿堂风,实验通风量Ge继续降低,而由于穿堂风对雨区有较好的冷却效果,被折算为计算通风量G的一部分,使得G有所恢复,这表明在高速侧风下,穿堂风可以提高冷却塔的性能。通过对比发现,侧风下冷却效率相对值η/η0普遍小于计算通风量相对值G/G0,这说明外界侧风不但降低了通风量,而且破坏了塔内中心轴对称的空气动力场,二者共同作用导致冷却性能恶化。(6)研究了十字隔墙和导风板两种控风措施对冷却塔热力性能的影响并分析了其作用机理,结论如下：在雨区安装十字隔墙可以优化塔内空气动力场,提高通风量,从而有效改善冷却塔的热力性能,具体效果取决于侧风大小、十字隔墙形状以及安装角度。在低风速下,实型和孔隙十字隔墙均可改善冷却性能；高风速下,孔隙十字隔墙效果更好。在所研究风速范围内,无论是实型还是孔隙十字隔墙,a=0°时的效果均好于a=45°；在风速较高时,a=45°十字隔墙甚至会降低冷却塔的性能。在冷却塔进风口周向上安装导风板,可以有效提高进风均匀性和通风量。进风均匀系数随导风板数量的增加而单调增大,冷却性能增强；而当导风板数量增加到一定程度时,进风阻力迅速增大,通风量减少,因此,导风板数量存在一个最佳值Nb,opt=36,使得冷却塔通风量较大,进风以及换热均匀性也较好,冷却性能最佳。在十字隔墙和导风板耦合作用下,可以有效提高通风量并增强周向进风均匀性,进一步提升冷却性能。(7)针对冷却塔内部空气速度场、温度场和湿度场分布不均的问题,提出了雨区合理配风的思想,并通过安装导风管来重新构建塔内空气动力场,提高冷却塔整体换热性能。基于热态模型实验,研究了导风管的不同布置方式(截面形状、截面积、长度、数量等)对冷却塔热力性能的影响规律并分析了其作用机理,结论如下：定义了气温均匀系数Cu,θ以定量描述冷却塔内部空气温度场的均匀性,可以作为塔内空气动力场好坏的评价指标。当通风量一定时,Cu,θ越大,整体冷却性能越好。安装导风管之后,中心区域气温显著降低,外围气温略有升高,同一换热截面上的径向气温分布变得更加均匀,气温均匀系数增大,冷却塔性能提高。安装导风管前后冷却效率的相对增加量普遍大于通风量的相对增加量,这说明在安装导风管之后,冷却塔性能的改善是通风量和塔内空气动力场共同作用的结果。对冷却性能的改善效果由大到小分别为拱形导风管(GG)、圆形导风管(YG)、方形导风管(FG)。导风管对冷却性能的改善效果取决于导风管对中心弱换热区换热性能的强化与导风管占用外围雨区冷却能力这两方面因素的综合作用。在一定的导风管截面积Ag、长度Lg和数量Ng下,当冷却塔内部气水参数分布趋于均匀一致,空气动力场达到最优化时,冷却塔的运行达到最佳状态,热力性能最好,此时所对应的最优工况为GG_A45_L180_N8。还研究得出了对应其他冷却性能极大值的导风管优化布置方式,包括其他条件一定时的极值导风管截面积Ag,opt、长度Lg,opt和数量Ng,opt。当导风管的其他两个参数增大时,其分别对应的Ag,opt、Lg,opt和Ng,opt均有减小的趋势。将导风管尺寸参数无量纲化,便可将实验结论应用于实型塔中。导风板可以提高冷却塔周向进风均匀性,而导风管可以平衡塔内径向的空气速度、温度和湿度分布；二者分别通过优化塔内空气动力场的周向和径向分布,重新构建塔内最优空气动力场,提高整体冷却性能。(8)对导风管热态模型实验数据进行了正交化处理,并进行了极差分析和方差分析,定量得出了导风管截面积Ag、长度Lg、数量Ng以及侧风速度Vc对冷却塔性能参数的影响程度,结果显示：v。对Cu,θ、G和η的影响最大,Ng和Ag次之,Lg最小。F显著性检验的结果表明Vc和Ag对η的影响特别显著,Ng对η也有一定的影响,Lg则对η无显著影响,但考虑到误差中包含各因素交互作用的影响,所以实验测量误差对实验结果波动造成的影响较小,结果比较准确。(9)建立了导风管和导风板耦合作用下的自然通风逆流湿式冷却塔传热传质和流场分析的三维数值计算模型,并基于某电厂冷却塔的实际运行数据进行了数值模拟,结果表明：传热传质区局部加密后网格数量为762318的网格系统基本可以消除网格数量对计算结果的影响,获得网格无关解。出塔水温计算值与实测值的最大偏差为0.15℃,为对应工况下实测冷却水温降的1.58%,表明所建模型可以准确模拟和预测实型塔的实际运行。无风时,冷却塔中心和外围区域的气水比以及空气温度和湿度分布差异很大,空气动力场极不均衡,导致气温均匀系数较小出塔水温较高。安装导风管可以提高中心区域的气水比,形成低温低湿区,通风量G和气温均匀系数Cu,θ均明显提高,出塔水温t2显著降低。获得了导风管的最优布置方式以及对应于冷却性能极大值的极值参数Ag,opt、Lg,opt和Ng,opt,无量纲化之后与热态模型实验的结果完全一致。在进风口处安装导风板可以消除侧风下雨区侧部导风管内生成的旋涡,进一步均衡塔内气水参数分布,优化塔内空气动力场,提高通风量和气温均匀系数,降低出塔水温。本文提出了冷却塔最优空气动力场理论,定义了进风均匀系数和气温均匀系数,二者可以作为冷却塔内部空气动力场好坏的评价指标；初步形成了冷却塔空气动力场重构的理论和方法,获得了导风板和导风管的优化布置方式,可以为冷却塔性能优化提供实际指导,并为进一步研究奠定了理论基础,所得结论具有较强的理论意义和工程价值。