惠雪松　馮彬　余志永　劉文會(huì)

摘 要：如果想如果想對(duì)空冷單元進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，首先應(yīng)該對(duì)單元內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬。再根據(jù)空氣的流場(chǎng)特點(diǎn)，布置噴霧增濕系統(tǒng)，對(duì)布置方式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬的討論。計(jì)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(yùn)動(dòng)等問題非常全面的一個(gè)軟件。本文將采用FULENT軟件首先對(duì)直接空冷單元內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以下將根據(jù)直接空冷機(jī)組空冷單元的實(shí)際尺寸，建立實(shí)用的物理模型，并使用網(wǎng)格劃分軟件（GAMBIT）進(jìn)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(shí)體尺寸及其簡(jiǎn)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(jì)算的對(duì)象是600MW直接空冷機(jī)組的凝汽器，空冷島一共由7×8個(gè)空冷單元組成?？绽淠鞯暮诵牟考且浴唉弊中芜M(jìn)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(jī)，來驅(qū)動(dòng)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(tái)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(shí)際情況建立模型，計(jì)算工作量必然巨大。因此，選取了空冷島中一個(gè)單元進(jìn)行研究，分析噴霧系統(tǒng)的布置方式對(duì)直接空冷凝汽器的換熱情況及對(duì)機(jī)組背壓的影響。

選取的空冷單元的尺寸為長(zhǎng)11m，寬11m，高度為11.2m（從風(fēng)機(jī)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(jiǎn)化了風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)際尺寸繪制了風(fēng)機(jī)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(jì)算區(qū)域。最后計(jì)算區(qū)域?yàn)?13m×11m×20m。計(jì)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(jìn)行劃分，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和換熱器的網(wǎng)格進(jìn)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(gè)。風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)示意圖和計(jì)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(shí)，將單元頂部的蒸汽分配管簡(jiǎn)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(jī)導(dǎo)流筒進(jìn)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(duì)稱邊界條件。風(fēng)機(jī)的六個(gè)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(duì)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(jī)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(jìn)行處理，多孔介質(zhì)的流動(dòng)阻力采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行定義。引用多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)的作用通過在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)代表動(dòng)量消耗的源項(xiàng)進(jìn)行模擬。源項(xiàng)由兩部分組成：一個(gè)粘性損失項(xiàng)，即方程右端第一項(xiàng)；一個(gè)慣性損失項(xiàng)，即方程右端第二項(xiàng)。

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

式中 iS——源項(xiàng)（動(dòng)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(duì)角矩陣；

2C——慣性阻力系數(shù)，矩陣形式為對(duì)角矩陣。

計(jì)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(zhǎng)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(chǎng)的模擬是冷空氣冷卻換熱面的過程，在FULENT計(jì)算時(shí)，涉及到連續(xù)相空氣模型，現(xiàn)就連續(xù)相模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)空冷單元的影響時(shí)，直接空冷單元周圍的大氣運(yùn)動(dòng)按照不可壓縮定常流動(dòng)處理。數(shù)值計(jì)算中涉及的微分方程包括：連續(xù)性方程、湍動(dòng)能方程、動(dòng)量守恒方程、湍動(dòng)能耗散方程和能量守恒方程。公式的表達(dá)式如下：

連續(xù)性方程：

4 結(jié)論

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

作者簡(jiǎn)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。