基于風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的冷卻塔內(nèi)煙氣膨脹系數(shù)測(cè)量

馬進(jìn)，田文鑫，姜益善，徐熠

（國電環(huán)境保護(hù)研究院，南京 210031）

基于風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的冷卻塔內(nèi)煙氣膨脹系數(shù)測(cè)量

馬進(jìn)，田文鑫，姜益善，徐熠

（國電環(huán)境保護(hù)研究院，南京 210031）

利用環(huán)境風(fēng)洞模擬冷卻塔內(nèi)煙氣抬升，從而測(cè)量煙氣膨脹系數(shù)。試驗(yàn)按照相似理論選取參數(shù)，模型和原型之間的煙氣密度比、密度佛羅德數(shù)、試驗(yàn)風(fēng)速比相等，由于塔內(nèi)煙氣升速比塔內(nèi)空氣升速大得多，如果氣流升速不再隨著塔內(nèi)空氣與煙氣中心距離的增加而迅速減小，則認(rèn)為測(cè)得煙氣邊緣，從速度分布可以得到煙氣直徑。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于塔壁的作用，煙氣膨脹系數(shù)β對(duì)環(huán)境風(fēng)速不敏感，從煙道出口至塔頂處β平均值約為0.10，夾卷系數(shù)比膨脹系數(shù)小0.03左右。與水槽等試驗(yàn)結(jié)果相比，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M測(cè)出的膨脹系數(shù)比較接近準(zhǔn)確值。

風(fēng)洞；煙塔合一；膨脹系數(shù)；夾卷系數(shù)；湍流

0 引言

近年來，越來越多的電廠采用冷卻塔排煙。冷卻塔排煙現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［1］和模擬計(jì)算表明，電廠通過冷卻塔排煙大多數(shù)情況下優(yōu)于煙囪排放［2］，煙氣抬升效果遠(yuǎn)比加裝煙氣換熱器（GGH）好，在工程上也有節(jié)約土地、降低防腐要求等優(yōu)勢(shì)，具有節(jié)能減排的優(yōu)良特性［3-5］。

冷卻塔設(shè)計(jì)與塔內(nèi)氣體的膨脹系數(shù)密切相關(guān)，塔內(nèi)氣體和煙氣膨脹主要由塔內(nèi)湍流引起，準(zhǔn)確測(cè)定塔內(nèi)煙氣膨脹系數(shù)可為工程設(shè)計(jì)人員和環(huán)境工程師提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)照片（如圖1所示）顯示了塔內(nèi)煙氣夾卷塔內(nèi)空氣膨脹并抬升的過程，國電環(huán)境保護(hù)研究院環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)量了塔內(nèi)煙氣膨脹系數(shù)。

圖1 冷卻塔內(nèi)煙氣排放

此次風(fēng)洞模擬試驗(yàn)按照相似理論選取參數(shù)，除了邊界層滿足風(fēng)廓線和湍流相似外，模型和原型之間的煙氣密度比、密度佛羅德數(shù)、試驗(yàn)風(fēng)速比相等。

由于煙氣升速比塔內(nèi)氣體升速大許多，具有射流特性，試驗(yàn)測(cè)量氣流上升速度時(shí)，如果氣流升速不再隨著與煙氣中心距離的增加而迅速減小，則認(rèn)為測(cè)得了煙氣邊緣。根據(jù)速度分布，可以確定不同高度處的煙氣半徑，從而計(jì)算煙氣膨脹系數(shù)。

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)

原型冷卻塔高197.6m，塔口直徑為79.3m，煙道高55.0 m，內(nèi)徑為8.6 m，模型幾何相似比為1∶400。塔內(nèi)氣體速度測(cè)量采用IFA300熱線風(fēng)速計(jì)（美國TSI公司生產(chǎn)），采樣時(shí)間為8 s，采樣頻率為1000Hz。圖2為塔內(nèi)空氣不斷卷入，煙氣擴(kuò)散示意圖，圖3為塔內(nèi)速度采樣現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 塔內(nèi)煙氣夾卷與擴(kuò)散示意

1.2 夾卷速度

圖3 塔內(nèi)速度采樣現(xiàn)場(chǎng)

式中：Rz為z方向不同高度處煙氣半徑，m為煙氣平均升速，m／s；ρ為空氣密度，由于此次試驗(yàn)煙氣速度都較?。Ｐ蜔煔馍傩∮?.0m／s），視為不變量，kg／m3；α定義為夾卷系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨脹系數(shù)β

靜止空氣中，煙氣膨脹系數(shù)β由式（3）定義

式中：β為煙氣的膨脹系數(shù)；R0為煙氣初始半徑，m；z0為z方向的煙氣初始高度坐標(biāo)，m。

2.2 煙氣邊緣判定方法

由于塔底和四周塔壁的邊界作用，沒有煙氣時(shí)，冷卻塔內(nèi)空氣的升速沿半徑方向的分布特點(diǎn)是：從中心到塔壁可以分3圈，最大升速在第2圈而不在塔中心圈，靠近塔壁的區(qū)域升速最小，煙道布置在中心位置。

煙氣升速比塔內(nèi)空氣升速大許多，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煙氣基本落在中心圈，煙氣和塔內(nèi)空氣分界點(diǎn)的特征是：隨著塔內(nèi)空氣與煙氣中心距離的增加，速度不再迅速減小，即速度梯度從較大的負(fù)值接近0。

2.3 試驗(yàn)測(cè)出的平均膨脹系數(shù)

圖4為塔內(nèi)測(cè)量布點(diǎn)，表1為10m高處不同環(huán)境風(fēng)速μ10下測(cè)出的不同高度處的煙氣直徑、膨脹系數(shù)和湍流強(qiáng)度（表1中Ti為同高度x方向各個(gè)測(cè)量點(diǎn)湍流強(qiáng)度平均值）。圖5為靜風(fēng)條件下，不同高度氣流上升速度沿x方向的變化。圖6為依據(jù)式（3）求出的不同風(fēng)速下平均膨脹系數(shù)β（以下均為從煙道排口開始計(jì)算的平均值）隨高度的變化趨勢(shì)。

圖4 塔內(nèi)測(cè)量布點(diǎn)

圖5 靜風(fēng)下，不同高度氣流上升速度沿x方向的變化

圖6 不同高度的平均膨脹系數(shù)β

表1 不同環(huán)境風(fēng)速下，不同高度處煙氣直徑D、平均膨脹系數(shù)β和湍流強(qiáng)度Ti

當(dāng)風(fēng)速增至12m／s或16m／s時(shí)，180m處的平均膨脹系數(shù)β接近0.11，塔口處的膨脹系數(shù)約為0.10。由此可見，由于冷卻塔側(cè)壁的影響，環(huán)境風(fēng)速對(duì)塔出口處膨脹系數(shù)影響較小。

2.4 平均膨脹系數(shù)β的形態(tài)解釋

煙氣膨脹的本質(zhì)是煙團(tuán)運(yùn)動(dòng)過程中周圍空氣卷入導(dǎo)致煙團(tuán)直徑變大，嚴(yán)格來說，膨脹系數(shù)基于拉格朗日觀點(diǎn)。而實(shí)驗(yàn)室測(cè)量幾乎都是在固定點(diǎn)位測(cè)量，測(cè)量方法和結(jié)果都是歐拉法。如果沒有湍流，在測(cè)試條件相同的穩(wěn)恒流條件下，兩種結(jié)果是一樣的。

美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）等機(jī)構(gòu)測(cè)量出的煙氣膨脹系數(shù)都是在均勻流場(chǎng)中測(cè)出的，而工業(yè)冷卻塔內(nèi)部受塔邊界的限制，塔內(nèi)空氣不是均勻流場(chǎng)（特別是底部區(qū)域）。圖7為高150m、底部直徑約為100 m的冷卻塔內(nèi)流場(chǎng)，塔內(nèi)流場(chǎng)的共同特點(diǎn)是：對(duì)底部區(qū)域，靠近塔中心附近速度較小，水平速度隨高度增加而減小，上升速度隨高度增加而增加；對(duì)非底部區(qū)域，隨著高度的增加，水平速度減小，上升速度增加，整個(gè)水平截面的速度趨于均勻。

圖7 塔內(nèi)空氣流場(chǎng)對(duì)比

由于底部區(qū)域存在較大水平速度及較強(qiáng)湍流，測(cè)出的膨脹系數(shù)比靜止空氣中的結(jié)果復(fù)雜。

測(cè)量過程中的流場(chǎng)并非穩(wěn)態(tài)流，從煙道至塔頂測(cè)量出的各點(diǎn)速度是時(shí)間平均值，煙氣成像示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：受進(jìn)風(fēng)口的影響，底部區(qū)域湍流較大，煙團(tuán)晃動(dòng)角度明顯大于頂部區(qū)域，故測(cè)出的底部平均膨脹系數(shù)較大。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加時(shí)，底部煙團(tuán)的湍流包括低頻湍流引起的晃動(dòng)更加明顯，故底部煙團(tuán)膨脹系數(shù)的真實(shí)值應(yīng)該比測(cè)量計(jì)算值稍小；隨著塔高的增加，塔口徑收窄，煙氣水平方向速度幾乎消失，湍流減?。L(fēng)速8m／s、180m高處，由于塔頂口環(huán)境風(fēng)的影響湍流反而增加），煙氣晃動(dòng)大幅度減小，流動(dòng)趨于穩(wěn)態(tài)，按照定義，較高處的平均膨脹系數(shù)比較接近準(zhǔn)確值。

2.5 膨脹系數(shù)β測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表2列出了一些機(jī)構(gòu)在測(cè)試條件接近的前提下測(cè)定的膨脹系數(shù)β［6-9］，由于塔內(nèi)煙氣具有射流特性，當(dāng)煙氣邊緣速度接近塔內(nèi)空氣速度時(shí)，本文作者測(cè)定的冷卻塔內(nèi)煙氣膨脹系數(shù)非常接近采用其他方法測(cè)量的膨脹系數(shù)。

表2 不同研究者測(cè)定或建議的膨脹系數(shù)β

2.6 夾卷系數(shù)α與膨脹系數(shù)β的關(guān)系

2.6.1 物理關(guān)系

周圍空氣的夾卷導(dǎo)致煙團(tuán)膨脹，因此膨脹系數(shù)與夾卷系數(shù)緊密相關(guān)，在煙羽水平夾卷周圍空氣的情況下，兩者相等。從現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果及資料看，豎直方向夾卷的膨脹系數(shù)與夾卷系數(shù)相差不大，他們的關(guān)系取決于具體物理過程。

從表2和圖1可以看出：抬升過程中的煙氣近似為錐形，膨脹系數(shù)β近乎為常量［10］，在此假定下，將式（2）、式（3）代入式（1）可得

式（4）的邊界條件為

按照α與β的關(guān)系，式（4）的解可以分為3種情況。

2.6.2 測(cè)量精度比較

煙氣膨脹系數(shù)測(cè)量對(duì)象是幾何尺寸，定位精度可達(dá)0.15 cm，塔頂煙氣直徑為36～37m，對(duì)應(yīng)原型測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格間距為2m，初步估計(jì)，本次試驗(yàn)測(cè)定的煙氣膨脹系數(shù)精度在10%以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）風(fēng)洞模擬測(cè)量，從煙道出口處開始到塔口處，煙氣平均膨脹系數(shù)約為0.10。

（2）除了塔頂附近，塔內(nèi)湍流強(qiáng)度隨高度增加而減少，平均膨脹系數(shù)β隨高度的增加也減少。

（3）由于塔體的保護(hù)作用，平均夾卷系數(shù)對(duì)環(huán)境風(fēng)速不敏感，在塔口附近幾乎不隨環(huán)境風(fēng)速變化。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TU 317+.1；TU 271.1

A

1674-1951（2015）08-0030-03

馬進(jìn)（1966—），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，信息產(chǎn)業(yè)部登記高級(jí)程序員（終身），從事工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及軟硬件開發(fā)工作（E-mail：neprieia.majin＠163.com）。

2015-03-30；

2015-07-16