直接空冷機組空冷單元數(shù)值計算模型的建立

惠雪松　馮彬　余志永　劉文會

摘 要：如果想如果想對空冷單元進行數(shù)值計算，首先應(yīng)該對單元內(nèi)的空氣流場進行模擬。再根據(jù)空氣的流場特點，布置噴霧增濕系統(tǒng)，對布置方式進行相應(yīng)的數(shù)值模擬的討論。計算流體力學(xué)軟件（FLUENT）是當(dāng)今世界用于數(shù)值模擬和分析相關(guān)熱傳遞、流體運動等問題非常全面的一個軟件。本文將采用FULENT軟件首先對直接空冷單元內(nèi)的空氣流場進行數(shù)值計算，以下將根據(jù)直接空冷機組空冷單元的實際尺寸，建立實用的物理模型，并使用網(wǎng)格劃分軟件（GAMBIT）進行模型的相關(guān)網(wǎng)格劃分。

關(guān)鍵詞：直接空冷；單元；數(shù)值

1 直接空冷單元的實體尺寸及其簡化

直接空冷凝汽器是由一定數(shù)目的、結(jié)構(gòu)相同的翅片換熱器（凝汽器）單元并列組成的（現(xiàn)代空冷散熱器一般都為單排管）。本文數(shù)值計算的對象是600MW直接空冷機組的凝汽器，空冷島一共由7×8個空冷單元組成?？绽淠鞯暮诵牟考且浴唉弊中芜M行布置的換熱器，蒸汽分配管在“Λ”字形頂端，在空冷單元的底部安裝大直徑軸流風(fēng)機，來驅(qū)動空氣冷卻換熱面。為了減少熱回流影響及提高換熱器的散熱能力，在空冷平臺的四周加裝擋風(fēng)墻。根據(jù)相關(guān)資料，擋風(fēng)墻的高度需要超過“Λ”字形換熱器頂端蒸汽管，大概高出2m左右。如果按照實際情況建立模型，計算工作量必然巨大。因此，選取了空冷島中一個單元進行研究，分析噴霧系統(tǒng)的布置方式對直接空冷凝汽器的換熱情況及對機組背壓的影響。

選取的空冷單元的尺寸為長11m，寬11m，高度為11.2m（從風(fēng)機導(dǎo)流筒出口平面到蒸汽分配管中心平面的距離），換熱器厚度為0.219m。簡化了風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)，并根據(jù)風(fēng)機葉片的實際尺寸繪制了風(fēng)機的物理模型。

由蒸汽分配管中心線向上延伸到20m，換熱器下部邊界向外各延伸1m作為計算區(qū)域。最后計算區(qū)域為 13m×11m×20m。計算區(qū)域的網(wǎng)格采用分塊劃分的方法：換熱器及換熱器上方區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對風(fēng)機葉片和換熱器的網(wǎng)格進行加密處理，在滿足網(wǎng)格質(zhì)量（Equisize Skew<0.4）的前提下，盡可能的減少了網(wǎng)格數(shù)量，最后總的網(wǎng)格數(shù)量為45.3萬個。風(fēng)機葉片的結(jié)構(gòu)示意圖和計算區(qū)域的網(wǎng)格圖，如圖1-1所示。

2 模型中邊界條件的設(shè)置

建立模型時，將單元頂部的蒸汽分配管簡化為沒有熱量傳遞的壁面，在FLUENT中設(shè)置為Wall邊界條件。風(fēng)機導(dǎo)流筒進口設(shè)置為壓力入口邊界條件；單元模型的頂部設(shè)置為壓力出口邊界條件（應(yīng)該考慮大氣壓）；同一列凝汽器相鄰單元之間的隔風(fēng)板設(shè)置為壁面邊界條件，不考慮環(huán)境風(fēng)影響，模型四周的其余面均設(shè)為對稱邊界條件。風(fēng)機的六個葉片定義為旋轉(zhuǎn)體，旋轉(zhuǎn)葉片和靜止區(qū)域之間的耦合采用MRF模型。對于壓力入口和出口邊界，均設(shè)置階躍壓力為0，完全依靠風(fēng)機葉片的旋轉(zhuǎn)，向空冷單元內(nèi)部輸送空氣。

空冷單元的翅片管簇采用多孔介質(zhì)模型進行處理，多孔介質(zhì)的流動阻力采用經(jīng)驗公式進行定義。引用多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)的作用通過在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項進行模擬。源項由兩部分組成：一個粘性損失項，即方程右端第一項；一個慣性損失項，即方程右端第二項。

）21（3131jmagjijjjijivvCvDSρμΣΣ==+.= （2-1）

式中 iS——源項（動量方程中）；

μ——粘性系數(shù)，

v——為速度矢量；

α1——粘性系數(shù)的矩陣，形式是對角矩陣；

2C——慣性阻力系數(shù)，矩陣形式為對角矩陣。

計算的關(guān)系式：

vvp368.134543.22+=Δ （2-2）

由于被看作是多孔介質(zhì)的翅片管簇的厚度為0.219m，得到翅片管簇法向方向單位長度阻力損失與速度之間的關(guān)系式為

vvxp041.612.112+=ΔΔ （2-3）

由式（4-2）和式（4-3）得翅片管簇面法線方向的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為3281779和20.01。

3 空冷單元數(shù)學(xué)模型的建立

空冷單元內(nèi)流場的模擬是冷空氣冷卻換熱面的過程，在FULENT計算時，涉及到連續(xù)相空氣模型，現(xiàn)就連續(xù)相模型進行簡單介紹。

3.1 連續(xù)相模型的建立

在不考慮周邊環(huán)境風(fēng)對空冷單元的影響時，直接空冷單元周圍的大氣運動按照不可壓縮定常流動處理。數(shù)值計算中涉及的微分方程包括：連續(xù)性方程、湍動能方程、動量守恒方程、湍動能耗散方程和能量守恒方程。公式的表達式如下：

連續(xù)性方程：

4 結(jié)論

本文介紹了對直接空冷機組空冷單元的結(jié)構(gòu)的簡化，網(wǎng)格的劃分以及數(shù)學(xué)模型的計算方法，對今后直接空冷機組空冷單元的數(shù)值計算有一定的指導(dǎo)意義。

作者簡介

惠雪松，男，助教，碩士，主要從事火電廠及鋼鐵廠節(jié)能降耗的研究。