直接空冷單元流場特性數(shù)值研究

周敬博，陳梅倩

(1.中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

(2.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044)

直接空冷單元流場特性數(shù)值研究

周敬博1，陳梅倩2

(1.中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

(2.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044)

通過數(shù)值模擬，分析風速、平臺寬度、擋風墻高度、擋風墻形狀等因素影響下的空冷單元空氣流動的變化規(guī)律。研究結果表明，環(huán)境風速對流場影響較大，隨著環(huán)境風速的增加，軸流風機的通風量降低，當環(huán)境風速為11 m/s時，軸流風機流量為無風時的63%;空冷平臺寬度對流動傳熱特性影響很小;加裝擋風墻下延對空冷單元軸流風機吸風量有顯著提高。

直接空冷單元;流場;數(shù)值模擬;擋風墻

1 概述

我國是水資源短缺的國家，人均水資源為2 400 m3，僅占世界平均水平的1/4，已被聯(lián)合國列為13個貧水國之一［1］。然而水資源與煤炭資源的分布具有極大的地域不均衡性，這種資源分布特性極大地制約了電力工業(yè)的布局，限制了電力工業(yè)的發(fā)展。采用空冷機組正是解決上述矛盾的有效途徑之一。電站空冷技術是以空氣取代水作為冷卻介質的一種冷卻方式，可比常規(guī)濕冷機組節(jié)約2/3的新鮮水［2］，同時還可避免濕冷塔排出的氣霧對環(huán)境造成的污染。

目前國內針對直接空冷系統(tǒng)的研究以試驗研究和數(shù)值模擬為主要手段。隨著計算流體力學(CFD)技術的發(fā)展，直接空冷系統(tǒng)的數(shù)值模擬已成為一種重要的新興研究方法。在直接空冷凝汽器的換熱和流動方面，前人已經取得很大成就。目前，國內外對直接空冷凝汽器的研究主要是應用數(shù)值模擬的方法研究橫風對單元流動傳熱特性的影響規(guī)律［3～5］。從相關研究結果來看，目前對如何削弱環(huán)境橫風對空冷凝汽器單元的影響方面的研究還不完善，特別是空冷平臺寬度以及擋風墻的高度、形狀等影響因素對空冷單元內空氣流動傳熱特性的研究較少。

本文應用數(shù)值分析的方法，研究不同的環(huán)境風速、平臺寬度、擋風墻高度、形狀等因素影響下的空冷單元在大空間的三維流動特性，可為空冷凝汽器的設計提供參考。

2 模型與邊界條件

直接空冷機組是由空氣代替水作為冷卻介質的發(fā)電機組，其空冷島由若干個空冷單元組成。每個空冷單元都由互成60°角的“A”字型散熱器、頂部蒸汽分配管和底部軸流風機組成。在空冷平臺四周布置擋風墻，以減小熱風回流，同時在冬季能阻擋寒風直接吹在空冷散熱器管束，以防止發(fā)生局部管束過冷而凍結［6］。

本文旨在研究空冷單元內空氣的流場特性，選取一個蛇形翅片管散熱器空冷單元作為研究對象，其結構如圖1所示。由于空冷凝汽器暴露在大氣環(huán)境中，空冷平臺高度為50 m，其流動與換熱性能受周圍環(huán)境條件的影響很大，為此建立了一個100×100×100 m3空間環(huán)境，如圖2所示。

本文對空冷單元計算區(qū)域采用分塊畫網格的方法，先對模型進行初步網格劃分，對計算結果進行分析，觀察各控制方程的收斂性是否理想，計算結果的流場和溫度場趨勢是否合理，在此基礎上對網格進行加密，直到網格的步長大小對計算結果影響忽略不計時，才最終確立網格大小和分布。網格如圖3所示。

直接空冷平臺周圍的大氣運動和空冷散熱器熱空氣的流動可以看作是不可壓定常流動，流動區(qū)域的控制方程為雷諾平均的 N-S方程［7］。在工程實際中，流體基本處于紊流狀態(tài)，控制方程采用標準k－ε方程。

計算模型選擇標準k－ε雙方程湍流模型，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)法。數(shù)值計算采用有限體積法，各方程離散均采用二階迎風格式，壓力－速度耦合使用SIMPLE算法。采用FLUENT軟件默認的收斂準則，能量項計算殘差要求小于10e－6，其余各項的計算殘差要求小于10e－3，最終計算結果的穩(wěn)定性和收斂性都要符合要求。

圖1 空冷單元結構圖

圖2 計算區(qū)域示意圖

圖3 單元網格圖

3 計算結果及分析

建立A型直接空冷單元物理數(shù)學模型，考慮不同環(huán)境風速、空冷平臺寬度、擋風墻高度、形狀等影響因素對單元內外空氣流場溫度場的影響。

3.1 不同環(huán)境風速對單元流場的影響

建立擋風墻高度為10 m、平臺寬度為12 m的空冷單元模型，對X來流方向的環(huán)境風速，選取風速分別為2、5、7、9、11 m/s，考察風速對空冷單元空冷凝汽器流動特性的影響。圖4所示為不同來流速度下Y=0 m截面的速度矢量圖。

圖4 Y=0 m截面速度矢量圖

由圖4可知，從迎風側散熱器流出的空氣在上升過程中由于受到來流空氣的沖擊而被壓制，并受頂部蒸汽分配管擾流向前流動。沿著來流方向，在蒸汽分配管的背風側形成低壓區(qū)，有小型漩渦形成，而從背風側散熱器流出的空氣則被來流空氣沖擊加速流動。在擋風墻的背風側，形成低壓區(qū)，卷入了擋風墻外周圍的空氣，致使空氣回流。由于橫風的影響，速度分布在X方向上不具有對稱性，A型空間內迎風側的漩渦隨著環(huán)境風速的增加而增大。由于此漩渦的影響，在風機平面迎風側出現(xiàn)逆向流動。

圖5 單元通風量與環(huán)境風速的關系

由圖5可以看出，隨著環(huán)境風速的增加，風機通風量逐漸減少，迎風側散熱器通風量在環(huán)境風速小于6 m/s時上升較緩慢，之后隨著環(huán)境風速的增加上升較快。背風側散熱器通風量隨著環(huán)境風速的增大基本上呈線性上升趨勢。但背風側散熱器通風量總大于迎風側散熱器通風量。從軸流風機吸風量來看，隨著環(huán)境風速的提高，軸流風機的通風量逐漸減少。

3.2 平臺寬度對單元流場的影響

對橫向來風，風速分別為2、5、7、9、11 m/s，擋風墻高度為10 m，對空冷平臺寬度 b分別為12、14、16 m時對空冷凝汽器流動特性進行模擬計算。計算得到風機的通風量隨環(huán)境風速的變化關系如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著環(huán)境風速的增加，風機通風量逐漸減少，隨著平臺寬度的增加，風機通風量逐漸減少，且平臺寬度越大，通風量隨環(huán)境風速的增大下降得越快，在風速為11 m/s時，b=16 m的風機通風量比b=12 m時減少了30 kg/s。圖7為空冷平臺寬度b分別為12、14、16 m時散熱器出口溫度與環(huán)境風速的變化關系。

圖6 不同平臺寬度下風機通風量隨環(huán)境風速變化關系

圖7 不同平臺寬度下進風溫度隨環(huán)境風速變化關系

由圖7可以看出，在環(huán)境溫度不變，風機進風口溫度隨著環(huán)境風速的增加而增加，當環(huán)境風速小于7 m/s時，風機進風口溫度變化比較緩慢，之后隨著環(huán)境風速的增加迅速增加。擋風墻與空冷單元距離對風機進風溫度的影響不是很大，平臺寬度b=16 m時溫度上升最快，b=12 m時溫度上升得較緩慢，尤其是風速較小時，溫度基本不受影響。

3.3 擋風墻高度對單元流場的影響

對X向來風，風速分別為2、5、7、9、11 m/s，平臺寬度為14 m，擋風墻高度分別為10、12、14、12 m(往下延伸2 m)時空冷凝汽器流動傳熱特性進行模擬計算。圖8為不同擋風墻高度下風機通風量隨環(huán)境風速的變化關系。

由圖8可以看出，擋風墻往上延伸時，風機通風量隨風速的增加下降得較快，不同高度的擋風墻對風機通風量的影響不大。加裝擋風墻下延后，風速小于5 m/s時，擋風墻對風機通風量影響也不大，當風速大于5 m/s時，風機通風量下降得較緩慢，在風速為11 m/s時，風機通風量比擋風墻為10 m的風機通風量增加了70 kg/s。

根據(jù)空氣動力學原理，空氣的流動是一種不規(guī)則的紊流現(xiàn)象，其流量傳輸在宏觀上表現(xiàn)為擴散現(xiàn)象。當處于擴散中的風場遇到障礙時就會在障礙物周圍形成漩渦，在環(huán)境風場的作用下，在擋風墻附近上形成漩渦。同時，靠近擋風墻的風機出口附近有一定的負壓區(qū)，在空冷散熱器上部自風場的作用下，部分熱空氣在擴散過程中就會折向下，這樣空冷平臺上的熱空氣在這兩種負壓作用下被吸入靠近擋風墻的空冷風機，造成吸入空氣的溫度高于環(huán)境溫度，從而使空冷散熱器的換熱性能下降。

通過以上分析可知，擋風墻對影響空冷凝汽器的換熱效率有較大影響。隨著擋風墻高度的增加，回流熱風的行程也得到延長，從而降低了風機入口冷卻介質的溫度，同時也增加了外圍風機入口處的壓力，使流過空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。尤其是加裝擋風墻下延后，空冷凝汽器的換熱效率明顯提高，在風速為11 m/s時，加裝擋風墻下延后的風機通風量比擋風墻為10 m的風機通風量增加了70 kg/s。

圖8 不同擋風墻高度下風機通風量隨環(huán)境風速變化關系

3.4 擋風墻形狀對單元流場的影響

對X向來風，風速分別為2、5、7、9、11 m/s時，空冷平臺寬度為14 m時，不同形狀擋風墻對空冷凝汽器流動傳熱特性進行模擬計算。圖9為不同形狀的擋風墻。為方便表示，圖9中的擋風墻形狀風別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。

圖10為不同擋風墻形狀下，風機通風量隨環(huán)境風速的變化關系。由圖10可以看出，隨風速的增加，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ形狀的擋風墻風機的通風量下降緩慢，而Ⅰ形狀的擋風墻風機通風量則下降較快。當風速為7 m/s時，Ⅳ型擋風墻的風機通風量比Ⅰ型擋風墻增加了70 kg/s。通過以上分析可知，擋風墻形狀對影響空冷凝汽器的換熱效率有較大影響。改變擋風墻下延面的曲率，能延長回流熱風的行程，從而降低風機入口冷卻介質的溫度，同時也增加了外圍風機入口處的壓力，使流過空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。

圖9 四種擋風墻形狀示意圖

圖10 不同擋風墻形狀下風機通風量隨環(huán)境風速變化關系

4 結論

通過數(shù)值模擬，對空冷單元模擬結果進行分析，可得如下結論:

(1)環(huán)境側風對空冷單元的流暢特性影響很大，隨著環(huán)境風速的增大，通風量變小，散熱器溫度升高，空冷機組經濟性降低;當X向風速度11 m/s時，通風量為305.5kg/s，為無風時的63%。

(2)對于單個空冷單元，在所研究的空冷平臺寬度的范圍內，平臺寬度越小對空冷平臺的換熱效率影響越小。環(huán)境風速為11 m/s時，b=16 m的風機通風量比b=12 m的風機通風量減少了30 kg/s。

(3)隨著擋風墻高度的增加，回流熱風的行程也得到延長，從而降低了風機入口冷卻介質的溫度，同時也增加了外圍風機入口處的壓力，使流過空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。尤其是加裝擋風墻下延后，空冷凝汽器的換熱效率明顯提高。在風速為11 m/s時，加裝擋風墻下延后的風機通風量比擋風墻為10 m的風機通風量增加了70 kg/s。

(4)擋風墻形狀能影響空冷單元的換熱效果，下?lián)躏L墻的曲面會影響風機的通風量。當風速為7 m/s時，4型擋風墻的風機通風量比1型擋風墻增加了70 kg/s。

［1］ 嚴俊杰，張春雨，李秀云，等.直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究［J］.熱能動力工程，2000(15):601～603.

［2］ 周蘭欣.600MW直接空冷機組變工況特性的研究［J］.動力工程，2007，27(2):165～168.

［3］ Meyer CJ，Kroger DG.Numerical investigation of the effect of fan performance on forced draught air-cooled heat exchanger plenum chamber aerodynamic behaviour［J］. Applied Thermal Engineering，2004，24(2):359－371.

［4］ 張遐齡，楊旭，李向群，等.火電廠空冷平臺換熱的數(shù)值模擬［J］.水動力學研究與進展，2005(20):874－880.

［5］ 趙文升，王松齡，高月芬，等.直接空冷系統(tǒng)中熱風回流現(xiàn)象的數(shù)值模擬和分析［J］.動力工程，2007，27(5):487－491.

［6］ 溫高.發(fā)電廠空冷技術［M］.北京:中國電力出版社，2008.6－8.

［7］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

Numerical Study of the Flow Characteristics of Direct Air－cooled Condenser Unit

ZHOU Jing-bo1，CHEN Mei-qian2
(1.Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.School of Mechanical，Electronical and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

By way of CFD，the influence of wind velocity，distance by windbread，windbread height and windbread shape upon the flow and heat transfer of the cooling air was analyzed.It is concluded that crosswind influence the velocity and temperature distribution much.The mass flow rate decrease when the crosswind velocities increase.The mass flow is 63% of which when the wind speed is 11 m/s.The distance by windbread and air-cooled unit influence the velocity and temperature distribution slight.Adding lower windbreak increased the heat transfer efficiency of air-cooled unit significantly.

air-cooled condenser; flow characteristics; numerical simulation; windbread

TK01+8

A

2095－1671(2011)02－0067－05

2010-12-28;

2011-01-25

周敬博(1985—)，男，遼寧遼陽人，研究實習員，碩士，主要從事節(jié)能科研、規(guī)劃工作。