直接空冷機組空冷單元數值計算模型的建立

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值計算，首先應該對單元內的空氣流場進行模擬。再根據空氣的流場特點，布置噴霧增濕系統，對布置方式進行相應的數值模擬的討論。計算流體力學軟件（FLUENT）是當今世界用于數值模擬和分析相關熱傳遞、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的空氣流場進行數值計算，以下將根據直接空冷機組空冷單元的實際尺寸，建立實用的物理模型，并使用網格劃分軟件（GAMBIT）進行模型的相關網格劃分。

關鍵詞：直接空冷；單元；數值

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目的、結構相同的翅片換熱器（凝汽器）單元并列組成的（現代空冷散熱器一般都為單排管）。本文數值計算的對象是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。空冷凝汽器的核心部件是以“Λ”字形進行布置的換熱器，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機，來驅動空氣冷卻換熱面。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墻。根據相關資料，擋風墻的高度需要超過“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（從風機導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。簡化了風機輪轂結構，并根據風機葉片的實際尺寸繪制了風機的物理模型。

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作為計算區域。最后計算區域為 13m×11m×20m。計算區域的網格采用分塊劃分的方法：換熱器及換熱器上方區域采用六面體網格進行劃分，其余部分采用非結構化網格。對風機葉片和換熱器的網格進行加密處理，在滿足網格質量（Equisize Skew<0.4）的前提下，盡可能的減少了網格數量，最后總的網格數量為45.3萬個。風機葉片的結構示意圖和計算區域的網格圖，如圖1-1所示。

2 模型中邊界條件的設置

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中設置為Wall邊界條件。風機導流筒進口設置為壓力入口邊界條件；單元模型的頂部設置為壓力出口邊界條件（應該考慮大氣壓）；同一列凝汽器相鄰單元之間的隔風板設置為壁面邊界條件，不考慮環境風影響，模型四周的其余面均設為對稱邊界條件。風機的六個葉片定義為旋轉體，旋轉葉片和靜止區域之間的耦合采用MRF模型。對于壓力入口和出口邊界，均設置階躍壓力為0，完全依靠風機葉片的旋轉，向空冷單元內部輸送空氣。

空冷單元的翅片管簇采用多孔介質模型進行處理，多孔介質的流動阻力采用經驗公式進行定義。引用多孔介質模型，多孔介質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，

v——為速度矢量；

α1——粘性系數的矩陣，形式是對角矩陣；

2C——慣性阻力系數，矩陣形式為對角矩陣。

計算的關系式：

vvp368.134543.22+=Δ （2-2）

由于被看作是多孔介質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和慣性阻力系數分別為3281779和20.01。

3 空冷單元數學模型的建立

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

3.1 連續相模型的建立

在不考慮周邊環境風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。數值計算中涉及的微分方程包括：連續性方程、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：

連續性方程：

4 結論

本文介紹了對直接空冷機組空冷單元的結構的簡化，網格的劃分以及數學模型的計算方法，對今后直接空冷機組空冷單元的數值計算有一定的指導意義。

作者簡介

惠雪松，男，助教，碩士，主要從事火電廠及鋼鐵廠節能降耗的研究。