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        汽輪機(jī)凝汽器換熱特性的多孔介質(zhì)建模研究

        2018-05-07 06:52:04李文科劉志超王建剛張漢柱姚坤劉東旭
        關(guān)鍵詞:汽輪機(jī)

        李文科 劉志超 王建剛 張漢柱 姚坤 劉東旭

        摘 要:火電機(jī)組凝汽器內(nèi)部換熱特性對機(jī)組整體運(yùn)行性能具有非常重要的意義。本文針對汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)的流固耦合復(fù)雜特性,基于多孔介質(zhì)三維仿真策略,對凝汽器汽側(cè)壓力場的進(jìn)行簡化建模研究,考慮冷卻水溫度沿管長呈線性分布的特性及其對蒸汽凝結(jié)量和換熱量分布的影響,利用Fluent軟件對其進(jìn)行仿真。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程基本吻合,簡化合理。這對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

        關(guān)鍵詞:汽輪機(jī) 冷凝器 壓力場 多孔介質(zhì) 建模仿真

        中圖分類號:TK12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2018)01(a)-0112-02

        冷凝器是汽輪機(jī)非常重要的輔助設(shè)備,特別是大型汽輪機(jī)冷凝器,其尺寸比較大,冷凝管數(shù)量多且布置方式有異于一般冷凝器。而且,隨著蒸汽的凝結(jié),多相混合物流速、空氣濃度、換熱系數(shù)和熱負(fù)荷等參數(shù)沿流程的劇烈變化,其內(nèi)部的流動與傳熱現(xiàn)象更加復(fù)雜。因此,正確合理預(yù)測冷凝器內(nèi)部復(fù)雜物理場,對實(shí)際工程項(xiàng)目具有非常重要的指導(dǎo)意義,一直以來都受到許多研究者的重視[1-3]。文獻(xiàn)[4]和[5]提出了多孔介質(zhì)建模思路,為凝汽器特性研究提供了一定的思路。但是,針對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況的研究較少。

        因此,本文首先采用多孔介質(zhì)模型,對某大型汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)汽側(cè)的復(fù)雜壓力場做適當(dāng)簡化后,然后利用Fluent軟件對其進(jìn)行二維數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程基本吻合。然后在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了一些理論分析,得到了一些有參考價(jià)值的結(jié)論,對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

        1 多孔介質(zhì)物理建模策略

        蒸汽凝結(jié)放出的熱量由金屬管壁吸收,然后通過對流換熱方式由循環(huán)冷卻水帶走。對于不可避免的一定漏氣量,通過抽汽保持真空。

        1.1 汽側(cè)壓力場物理模型的簡化過程

        一般,由于整個(gè)冷凝器尺寸與大型凝氣器內(nèi)凝結(jié)區(qū)管束的管徑相比已經(jīng)相當(dāng)小了,因此,在整個(gè)冷凝器物理場的模擬中,將凝結(jié)區(qū)管束作為多孔介質(zhì)處理的假設(shè)是合理的。蒸汽在管束區(qū)流動,隨著蒸汽的凝結(jié),蒸汽質(zhì)量不斷減少,將蒸汽在管壁上凝結(jié)量,分布到整個(gè)管束區(qū)中,可看作是連續(xù)性方程中的一個(gè)源項(xiàng),即分布質(zhì)量匯。同樣將蒸汽在管束區(qū)流動的阻力分布在整個(gè)管束區(qū)中,作為動量方程的一個(gè)源項(xiàng),即分布阻力。

        因此,為了簡化計(jì)算并能確保模型具有一定的精度,在建立冷凝器的模型時(shí),根據(jù)大型冷凝器工作情況,進(jìn)行如下假設(shè):冷卻水管束區(qū)按一族處理,采用具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的模型模擬管束區(qū)的物理場;由于只模擬汽側(cè)物理場,因此忽略不凝性氣體的影響、忽略冷凝器散熱、忽略凝結(jié)水的體積;由于蒸汽流速較高,汽側(cè)湍流較強(qiáng),而且在凝結(jié)區(qū)內(nèi),由于是相變傳熱,因此忽略粘性耗散。通過以上的合理簡化,最終可以將冷凝器汽側(cè)復(fù)雜的汽相流動和傳熱過程,簡化為蒸汽在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的單相定壓定常湍流流動。

        1.2 凝結(jié)水溫度場物理模型的簡化過程

        針對冷凝器內(nèi)部甚為復(fù)雜的流動與傳熱現(xiàn)象以及受多種因素影響的凝結(jié)水形成過程,簡化策略如下:

        (1)凝結(jié)水存在過冷度問題。

        (2)將流固耦合的兩相流問題轉(zhuǎn)化為等效的單相問題進(jìn)行研究。

        (3)冷卻水管束區(qū)按一族建模,采用具有多空介質(zhì)模型策略。

        (4)非管束區(qū)域有凝結(jié)水在流動,如圖1所示。

        2 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

        2.1 基本數(shù)學(xué)模型

        一般來說,連續(xù)方程、動量方程、湍流方程來描述具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的蒸汽流動和凝結(jié)換熱過程,其通用形式如下式(1)所示:

        針對研究問題的特殊性,只需進(jìn)行源項(xiàng)的單獨(dú)處理。

        2.2 多孔介質(zhì)模型的建立策略

        所假設(shè)的冷卻水溫度線性分布,冷卻水管束區(qū)按一族處理,采用多孔介質(zhì)模型模擬管束區(qū)復(fù)雜流場。

        (1)非管束區(qū)沒有質(zhì)量與能量的損耗,源項(xiàng)為0。

        (2)管束區(qū)忽略凝結(jié)水的體積,質(zhì)量與能量都有一定的損耗,在管束區(qū)各添加是一個(gè)負(fù)的質(zhì)量源項(xiàng)與能量源項(xiàng)分別如下式2和3所示:

        目前,計(jì)算中常用的近似溫度為平均溫度,與實(shí)際中的臥式冷凝器的溫度分布有所差異。所以,本文采用線性溫度分布特性的假設(shè)條件。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        由于中間部分的冷凝水管分布區(qū)域(即多孔介質(zhì)區(qū)域)對研究起重要作用,因而網(wǎng)格可以根據(jù)計(jì)算需要而進(jìn)行加密細(xì)化,圖1為間隔4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)顯示效果。此外由于管束區(qū)與非管束區(qū)之間存在一個(gè)過渡,內(nèi)部條件與壁面也存在一個(gè)過渡,因此,為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確,在這些過渡區(qū)域部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

        邊界條件設(shè)為:蒸汽垂直排入冷凝器內(nèi),質(zhì)量流量入口;多孔介質(zhì)區(qū)域,采用均勻質(zhì)量與溫度分布條件;其余為壁面條件。

        壓力分布模擬結(jié)果如下圖2所示,從結(jié)果中可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定吻合度,表示模型存在合理的地方。在實(shí)際中,由于汽側(cè)壓力的改變會導(dǎo)致很多因素的改變,間接對凝結(jié)水過冷度造成影響。

        4 結(jié)語

        針對目前缺乏對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況加以考慮的凝汽器特性模擬研究的現(xiàn)狀,本文首先采用多孔介質(zhì)模型,對某大型汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)做適當(dāng)簡化后進(jìn)行二維數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程基本吻合。然后在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了一些理論分析,得到了一些有參考價(jià)值的結(jié)論,對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 杜小澤,金衍勝,姜劍波,等.火電廠直接空冷凝汽器傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(1):99-101.

        [2] 王曼華,楊立軍,杜小澤,等.梯形空冷凝汽器布局下直接空冷系統(tǒng)的流動傳熱性能[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013,33(14):59-66.

        [3] 韓成龍,張莉,曾申富,等.管板尺寸對凝汽器性能影響的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2017,59(2):107-110.

        [4] 周霄,崔國民,姜濤.大型電站凝汽器汽側(cè)物理場的數(shù)值模擬[A].中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議[C].2009.

        [5] 何金橋,肖波,湯盛萍,等.基于多孔介質(zhì)模型的電廠凝汽器汽側(cè)流動特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013, 44(5):2113-2117.

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