自然通风湿式冷却塔在我国电力行业广泛应用,其性能受填料布置、气象条件及冷却塔结构等因素影响。作为电力行业节能减排的重要构筑物,冷却塔的性能优化一直是国内外研究重点。由于冷却塔的结构尺寸巨大,模型试验很难满足相似条件且成本太高,而常规的一维、二维计算模型和方法则不能计算气象条件中的侧风对冷却塔的影响,因此开发精确的冷却塔三维数值模型并用于冷却塔的性能优化十分必要。本文基于传热传质理论和计算流体力学软件FLUENT,建立了冷却塔三维数值模型。在根据实测数据对所建模型进行验证的基础上,本文对不同片距填料性能、不同填料布置方式和侧风下导风板对冷却塔的性能优化进行了研究分析,为冷却塔的性能优化设计提供了一定参考依据。主要研究工作如下：(1)冷却塔三维数值模型的建立。本文根据实际冷却塔填料非等高布置方式和实验得出的填料热力阻力性能公式,建立了国内唯一的填料区水温离散化求解冷却塔三维数值模型。通过模型计算数据与实际工况下冷却塔测定数据对比,验证了所建模型的准确性和可靠性。(2)不同片距填料性能研究。本文通过对同波形下不同片距填料的热力阻力性能参数定性分析和三维模型代入分析,得到小片距填料的热力学性能更高,但是阻力也更大。只有在小片距填料的热力学性能增加对冷却塔性能的提升优势大于小片距填料阻力增加对冷却塔性能的降低劣势时,使用小片距填料才能提高冷却塔性能。(3)填料布置方式研究。不同填料布置方式对应不同填料使用体积,本文通过对17种填料布置方式的研究,发现冷却塔通风量和冷却塔填料底部水温都有随着填料使用体积的增加而降低的规律。就最终出水温度而言,通过增加外围填料布置高度来提高冷却塔性能比增加整体填料高度更有效。采用填料非等高布置形式,可以在减少填料使用体积的情况下,通过雨区和喷淋区传热传质的增强提高冷却塔性能,缩减冷却塔建造成本。(4)导风板对冷却塔性能影响的研究验证。本文根据年均3.3m/s的气象工况,研究了有无导风板下的冷却塔性能表现,发现加装导风板可以提高冷却塔性能,且作用机理主要是通过改善迎风侧空气动力场而来。加装导风板对背风侧填料区换热会产生少量的不利影响。