基于計算流體力學(xué)軟件的直接空冷單元流場特性分析

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1、第34卷第12期華電技刁}=Vo1．34No．122012年12月HuadianTechnologyDee．2012基于計算流體力學(xué)軟件的直接空冷單元流場特性分析孫啟德，馬英(1．北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2．華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206)摘要：針對直接空冷機組受環(huán)境因素影響較大的問題，以某電廠300MW直接空冷機組單元為實例，利用數(shù)值模擬方法建立了空冷凝汽器單元的計算模型，進而找到環(huán)境因素對凝汽器單元流場的影響規(guī)律，定量研究了空冷凝汽器換熱效率與環(huán)境因素的關(guān)系，可對凝汽器的優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟安全運行提供數(shù)值參考。關(guān)鍵詞：直接空冷凝汽器；數(shù)值模

2、擬；橫向風(fēng)；流動特性；換熱效率中圖分類號：TKl12：TK264．1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1674—1951(2012)12—0015—03對區(qū)域進行了分塊劃分，對散熱器及風(fēng)機周圍進行O引言了網(wǎng)格加密，以保證計算的精度，不規(guī)則區(qū)域采用四直接空冷技術(shù)具有顯著的節(jié)水效果，在“富煤面體網(wǎng)格，規(guī)則區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，以減少網(wǎng)格數(shù)缺水”地區(qū)或干旱地區(qū)已得到了廣泛的應(yīng)用。參考量，如圖1所示。采用不同的網(wǎng)格劃分驗證了網(wǎng)格文獻[1]指出，直接空冷系統(tǒng)與濕式冷卻塔系統(tǒng)相劃分的無關(guān)性，最后得到網(wǎng)格數(shù)為27萬個。比，可減少65％的耗水量。直接空冷機組的主要特點就是用空氣作為冷卻介質(zhì)來冷卻汽輪機排氣，而空冷凝汽器

3、常年布置在大風(fēng)環(huán)境中，故環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)溫都對其的換熱效果造成影響，且換熱器的A字形布置結(jié)構(gòu)會使流過換熱器的迎面空氣出現(xiàn)流場分布不均勻的現(xiàn)象，這會影響凝汽器的換熱效率。所以，通過研究凝汽器單元的流動特性，進而找到規(guī)律，對凝汽器的優(yōu)化和設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。1直接空冷單元的幾何建模和網(wǎng)格劃分1．1物理模型直接空冷凝汽器由若干個具有同樣結(jié)構(gòu)的凝汽器單元并列組成，而呈A字形布置的換熱器是凝汽器單元的核心部分，A字形框架的頂端為蒸汽分配圖1凝汽器單元網(wǎng)格示意圖管，底部為軸流風(fēng)機。本文選取300MW直接空冷2直接空冷單元的數(shù)值建模機組中一個典型單元作為研究對象，該單元尺寸為12．0In×10．0In×1

4、0．8111，空冷風(fēng)機直徑為8．911TI。2．1控制方程為了保證計算時出口處不產(chǎn)生回流及進口流場的均直接空冷凝汽器周圍的大氣運動可視為不可壓勻性，將整個計算區(qū)域在該散熱器單元上下各延長縮定常流動，該模型采用標(biāo)準(zhǔn)k一模型。標(biāo)準(zhǔn)k一一段距離，于是，計算區(qū)域變?yōu)?00．0In×200．0m×模型的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方100．0in。程、k方程與方程J。這些微分方程用張量表示1．2網(wǎng)格劃分如下利用Fluent的前處理軟件GAMBIT對計算區(qū)域連續(xù)性方程：進行網(wǎng)格劃分，為了劃分網(wǎng)格方便和保證網(wǎng)格質(zhì)量，OUx一++絲：0(1)dxd，dz收稿日期：2012—06—28能量方程·16

5、·華電技術(shù)第34卷能的影響，取2個典型的方向進行研究，垂直于單元Ux+y+Oz組的方向(方向)和平行于空冷單元組方向(Y方向)。橫向風(fēng)存在，使空冷單元流場出現(xiàn)不均勻現(xiàn)一p—c—p(I＼ax‘+—Oy+—az‘)》l。(2)象，使流動損失增大，換熱效率減小。動量方程在y方向橫向風(fēng)的影響下，橫向風(fēng)速度達到絲++絲：塑+U+Uy+Uz一5m／s，散熱器翅片管及空冷單元的速度分布如圖2xOz一纛+和圖3所示。通過對不同橫向風(fēng)速的計算得到，橫(＼c)x‘+v+Oz)，。(3)向風(fēng)速的增大使得到達空冷散熱器的迎面風(fēng)速減小，阻力增大。從圖2中可以看出，速度自下而上增湍動能方程大，這是散熱器的A字形布置決定

6、的，而橫向風(fēng)的~x(PUi毒+嘲+G影響使換熱器迎風(fēng)面的速度向橫向風(fēng)流出方向偏湍動能耗散方程斜。從圖3中可以看出，Y方向橫向風(fēng)對左右散熱器的影響是對稱的。砉c=蠹[(+)老]+c1詈G一C2P}。(5)式中：U，U，U。分別代表，Y，z3個方向的速度矢量，U是第i個(，Y或z方向)速度矢量；為湍動能；s為湍動能耗散率。豳765H5433O55O55O其中，有效黏度用下式計算?p等。標(biāo)準(zhǔn)k—模型需要求解湍流動能及其耗散率在Fluent中，各常數(shù)的默認(rèn)值為C一占=1．44，C一=1．92，湍流動能和耗散率的湍流值分別為=1．0，r，=1．3。圖2散熱器翅片管速度等值線圖2．2邊界條件翅片管散熱器

7、采用了多孔介質(zhì)模型，對該多孔區(qū)的動量方程上附加動量消耗的源項，該源項由慣一性阻力和黏性阻力組成，表示如下s=一(∑Do~／xvj+∑C寺p／'／magPj)。(6)對于簡單、均勻的多孔介質(zhì)，可采用s=一(＼rv+C：p／-"magPj1／，(7)式中：5為動量方程中的附加源項；為黏性系數(shù)；l，，為速度矢量；or為多孔介質(zhì)的滲透率；C為慣性阻力因子。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，慣性系數(shù)取3281779，黏性阻力系數(shù)取20，多