機械通風直接空冷系統噪聲預測與分析

崔超，趙允濤，黃文慧，楊立軍

（1．中國大唐集團科技工程有限公司，北京市 海淀區 100097；2．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區 102206）

0 引言

直接空冷系統是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝，空氣與蒸汽通過翅片管束進行熱交換。直接空冷系統具有結構簡單、占地面積小、調節靈活、投資較低等特點，為嚴重缺水的煤礦和電力負荷中心區域建設大型火電廠開辟了一條經濟、安全、可靠的途徑，因此在世界上獲得了快速發展[1]。我國直接空冷技術是在北方富煤缺水、氣候寒冷、晝夜溫差大的地區應用并發展起來的[2]。由于直接空冷系統采用的是機械通風的方式，需要使用數十臺大型軸流風機，因此其在大量節約電廠用水的同時增加了電廠的噪聲水平。噪聲不僅嚴重影響生產環境和現場運行人員的身心健康，也影響了廠區周圍的環境[3]，對新建項目的風機群所引起的噪聲的控制治理，已經成為環保機關審批的關鍵指標[4]。為研究直接空冷風機特性，張輝等[5]通過模擬得到了直冷空冷風機的入口空氣流動特性，水海波等[6]研究了直接空冷系統空冷單元內部的空氣動力學特性。很多學者對軸流風機以及系統噪聲也做了大量的研究工作。潘虹宇等[7]在保持風機直徑不變的條件下，利用葉型加彎方法改造葉型，得到氣動性能基本不變、噪聲降低的風機模型。孫迎浩等[8]對改進前后的彎掠葉片軸流風機的氣動與噪聲性能進行了模擬和實驗，孫揚智等[9]分析了軸流風機氣動噪聲的分布規律以及其隨風機的轉速和半徑的變換規律。方開祥等[10]利用Fluent計算流體軟件對風機的三維流場進行模擬以及風機噪聲進行預估。梁冬青[11]和郭欣[12]分別闡述了空冷風機和直接空冷系統的主要噪聲源及機理，并提出了降噪措施。

本文采用計算流體力學軟件 Fluent，對直冷空冷單元和流場進行了模擬和噪聲預測，并對5×6規模的空冷島進行了流場模擬以及噪聲預估，并模擬了增加降噪措施后的空冷島的流場及聲壓級噪聲，分析比較了空冷島熱力性能以及聲壓級噪聲的變化。

1 物理模型及網格劃分

本文主要研究的是直接空冷單元和5×6規模的直接空冷系統。以實際直接空冷系統幾何結構參數為模型，利用專業的畫圖軟件Gambit進行三維物理模型建模以及網格劃分等前處理工作。圖1為直冷單元模型，主要包括蒸汽管道、換熱翅片管束、風機等。其中風機選擇的是Φ 9.144 m的空冷常用風機，模型中采用實際風機模型。空冷島的模型如圖2所示，由5×6規模的空冷單元組成，模型中的換熱翅片管束和風機均簡化為了面。模型中建立了足夠大的計算域，以消除邊界的影響。為研究降噪措施的效果，建立了如圖 3所示的增加了消音墻的空冷島模型，即擋風墻的內側增加了一層多孔介質。

為保證計算過程的可靠性和減少計算時間，直冷單元的主體部分和空冷島部分均采用適應性較強的非結構化四面體網格，其他部分采用的是結構化的六面體網格，如圖4所示，且主體部分的網格細密，并以此為中心向外的網格越來越稀疏。

圖1 直冷單元模型Fig. 1 Model of direct air cooling cell

圖2 傳統空冷島模型Fig. 2 Conventional model of ACCs

圖3 加消音墻空冷島模型Fig. 3 Model of ACCs with the noise reduction wall

2 數學模型及數值方法

氣動噪聲的計算大體上可以分為兩大步：首先通過流場計算，求出滿足時間精度要求的各相關變量(壓強、速度和密度)在音源曲面上的變化過程；然后利用求出的音源數據計算聲音接收點處的聲音壓強信號。

Fluent中使用FW-H方程模擬聲音的產生與傳播。Fluent采用在時間域上積分的辦法，在接收聲音的位置上，用兩個面積分直接計算聲音信號的歷史。積分中需要用到的流場變量包括壓強、速度分量和音源曲面的密度等等，這些變量的解在時間方向上必須滿足一定的精度要求。滿足時間精度要求的解可以通過求解非定常雷諾平均方程(URANS)獲得，也可以通過大渦模擬(large eddy si mulation，LES)或分離渦模擬(detached eddy simulation，DES)獲得。

圖4 網格劃分Fig. 4 Schematic of mesh

大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三維經過修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運動特性，而對小渦旋運動還采用上述的模型。音源表面既可以是固體壁面，也可以是流場內部的一個曲面。噪音的頻率范圍取決于流場特征、湍流模型和流場計算中的時間尺度。

本文在數值計算過程中，將空氣認為是不可壓縮理想流體，流動為湍流流動，流體在固體壁面上沒有滑移。在直冷單元的模擬中，流場模擬紊流模型采用RNG k-ε模型，穩態、隱式、非耦合求解，壓力-速度的耦合處理采用 SIMPLE算法，將非定常問題用定常方法來進行計算。由于模型中存在旋轉區域，它的邊界包含靜邊界和動邊界，因此將整個計算區域劃分成旋轉流體區和非旋轉流體區。兩者之間的耦合采用移動參考坐標系(moving reference frame，MRF)模型。空冷單元模型中換熱部分簡化為長方體，設置為多孔介質模型，其出口面設置為 radiator條件，風機轉速設置為79 r/min。空冷島模型中，軸流風機簡化為面，設置為 fan類型，根據風機性能曲線圖來設置風機參數，將換熱翅片管束簡化為面，設置為 radiator模型，將空冷島四周的擋風墻設置為wall。消音墻設置為多孔介質，厚度為10 cm，孔隙率設置為0.9。

在氣動噪聲的計算過程中，采用的是非穩態隱式求解，紊流模型采用 LES大渦模型，采用PISO算法，在穩態計算穩定后采用非穩態算法，得到穩定的動態壓力場，在此基礎上利用 Fluent中的聲學模塊FW&H模型進行噪聲模擬計算。

LES的控制方程是對Navier-Stokes方程在波數空間或者物理空間進行過濾得到的。過濾的過程是去掉比過濾寬度或者給定物理寬度小的渦旋，從而得到大渦旋的控制方程。

目前，大渦模擬對不可壓流動問題得到較多應用，但在可壓縮問題中的應用還很少，因此這里涉及的理論都是針對不可壓流動的大渦模擬方法。在Fluent中，大渦模擬只能針對不可壓流體(當然并非說是密度是常數)的流動。

2.1 控制方程

空氣穩態流動傳熱過程中的控制方程可表示為

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ、Γφ、Sφ代表控制變量、擴散系數及源項。各變量在通用控制方程中的表達式在表1中列出。

2.2 LES 模型

LES的控制方程是對Navier-Stokes方程在波數空間或者物理空間進行過濾得到的。過濾的過程是去掉比過濾寬度或者給定物理寬度小的渦旋，從而得到大渦旋的控制方程。過濾不可壓的Navier-Stokes方程后，可以得到LES控制方程：

表1 通用控制方程中變量的表達式Tab. 1 Variable expressions in the generic governing equation

式中：τij為亞網格應力，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；ui，uj為速度分量，m/s；t為時間，s；xj為長度分量，m

很明顯，上述方程與雷諾平均方程很相似，只不過大渦模擬中的變量是過濾過的量，而非時間平均量，并且湍流應力也不同。

2.3 FW&H 模型

Fluent中用 Ffowcs W illiams和 Hawkings提出的FW-H方程模擬聲音的產生與傳播，這個方程中采用了Lighthill的聲學近似模型。FW&H方程如下：

式中：p′為遠場聲壓，Pa；a0為遠場聲速，m/s；ρ0為未擾動流體密度，kg/m3；un為流速分量，m/s；vn為表面速度分量，m/s；Tij為Lighthill壓力張量，Pa；pij為壓應力張量，Pa；δ(f)為狄拉克得爾塔函數；H(f)為亥維賽函數。

3 計算結果及分析

噪聲模擬需要進行非穩態計算。為了縮短計算時間、得到可靠數據，首先要在穩態下進行流場的計算，通過足夠長時間結果收斂后得到穩定的流場，然后再進行非穩態計算。

3.1 直冷單元噪聲模擬

直接空冷單元的噪聲源主要是風機產生的氣動噪聲。為研究噪聲的分布規律，直冷單元的噪聲模擬過程中，在沿風機轉軸正下方1、10、20 m以及34.8 m(離地1.5 m)設置了接收點，進行聲音數據的采集。

在穩態計算收斂之后采用非穩態進行噪聲的計算。通過足夠長時間的計算和聲音數據的采集，利用Fluent對聲音數據進行計算，得到了各接收點處的聲音文件，并通過 FFT處理最終得到如圖5所示的各接收點處聲壓級噪聲值的1/3倍頻程圖。由于計算機條件的限制，模擬的噪聲頻率范圍為0～6000 Hz。從圖中可以看出，直冷單元的聲壓級噪聲值在所研究的頻率范圍內的分布比較均勻。計算得出距風機1、10、20、34.8 m 的聲壓級噪聲值分別為86、79、74、70 dB。

圖5 直冷單元1/3倍頻程圖Fig. 5 Spectrum of 1/3 octave band of direct air cooling cell

3.2 空冷島噪聲模擬

由于所研究的空冷島模型包括 30個空冷單元，結構比較復雜，因此建模時對空冷單元結構做了簡化處理，其中風機簡化為了圓面，換熱管束簡化成為矩形面。經過足夠長時間的穩態計算得到了空冷島的穩定流場后，在非穩態下進行噪聲計算。計算過程中選取了3個接收點，分別為高度Z為1.5m、沿X軸方向距離空冷島0、100、200 m的3個點。本文分別計算了常規空冷島以及加消音墻后的空冷島的噪聲分布情況，并對兩個模型聲壓級噪聲進行了對比。

如圖 6所示為常規空冷島模型的聲壓級噪聲，噪聲頻率分布從0～3000 Hz，0、100、200 m接收點噪聲值分別為148、133、124 dB，圖7為加消音墻后的空冷島模型聲壓級噪聲值分布圖，其相應接收點的值分別為140、126、116 dB。從計算結果可以看出，增加10 cm多孔介質消音墻后，噪聲值下降了約5.4%。為了進一步分析噪聲的變化情況，在圖8中將兩種空冷島模型相同距離的1/3倍頻程圖進行了對比，從圖中可以看出，在增加消音墻后，各接收點0～2000 Hz頻率范圍內的噪聲值都得到了大幅降低。上述結果說明，在空冷島擋風墻內側布置的多孔介質能有效地降低空冷島噪聲中的中低頻部分，并最終降低了整個空冷島的噪聲。

圖6 常規空冷島1/3倍頻程圖Fig. 6 Spectrum of 1/3 octave band of conventional ACCs

圖7 加消音墻空冷島1/3倍頻程圖Fig. 7 Spectrum of 1/3 octave band of ACCs with the noise reduction wall

圖8 兩種模型不同距離處聲壓級值比較Fig. 8 Comparison of sound pressure levels at different distances between the two models

4 結論

本文利用Fluent對空冷單元和空冷島進行噪聲模擬，從計算結果可以看出：

1）本文的直冷單元采用的是實際風機模型，通過計算流體力學軟件Fluent對直冷單元噪聲進行預估，得到的噪聲值與實際噪聲值接近，可以得出在計算模型與實際接近時，計算結果是比較可靠的。

2）空冷島中的風機模型簡化為薄面，經過對直接空冷島進行流場模擬和噪聲預估，可以看出，空冷島流場與實際生產中的規律符合，但是噪聲預估有一定的偏差。因此，利用Fluent進行噪聲計算時，結果的可靠性與模型的準確性有緊密的關系，因此應該盡量對模型進行細化。

3）通過對常規空冷島和加消音墻的空冷島的對比，得出在擋風墻內部布置多孔介質的消音墻對空冷島的熱力性能基本沒有影響，但是可以降低空冷島噪聲中的低頻部分，從而降低空冷島的噪聲水平。