馬 喆，李志強(qiáng)，張曉旭，張麗娜

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191；2.天津市大氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300191)

0 引 言

“煙塔合一”技術(shù)是將鍋爐產(chǎn)生的煙氣通過自然通風(fēng)冷卻塔排放至大氣的技術(shù)。其原理是將電站鍋爐產(chǎn)生的煙氣，通過管道進(jìn)入冷卻塔，在冷卻塔淋水面上方排出，跟隨冷卻塔中的上升氣流進(jìn)入大氣，并利用水蒸氣在外環(huán)境釋放的潛熱進(jìn)行抬升，從而實(shí)現(xiàn)煙氣中污染物擴(kuò)散的工程方式。2004年，天津東北郊熱電廠選址受天津?yàn)I海國際機(jī)場凈空限高的制約，成為我國第一個(gè)煙塔合一排煙方式設(shè)計(jì)的熱電廠；2007年軍糧城熱電廠五期也由于機(jī)場限高的原因成為采用煙塔合一排煙方式的擴(kuò)建電廠；2010年天津北塘熱電廠和天津南疆熱電廠受天津?yàn)I海新區(qū)景觀要求的影響，也都采用了煙塔合一排放模式。然而，煙塔合一排煙方式并非是環(huán)保的電廠煙氣排放方式，煙塔合一方式存在著煙氣下洗、霧滴帶泥、酸沉降等問題。尤其是冷卻塔周邊是否存在大氣污染物超標(biāo)，超標(biāo)的范圍有多大成為建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和周邊居民重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題。

為了解復(fù)雜區(qū)域內(nèi)流場特征，科研工作者從20世紀(jì)60年代就開始了探索研究，并開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)科。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其研究方法包括了理論分析、實(shí)地勘測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬技術(shù)[1]。其中以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為核心的數(shù)值模擬技術(shù)在建筑、橋梁、汽車、航空航天及環(huán)保等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用[2-4]，其理論也日趨成熟。尤其是將數(shù)值風(fēng)洞模擬技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形上的污染擴(kuò)散及風(fēng)結(jié)構(gòu)模擬，許多學(xué)者已經(jīng)從不同角度展開研究，并取得了豐碩的成果[5-9]。

與傳統(tǒng)模型方法相比，數(shù)值風(fēng)洞具有如下優(yōu)點(diǎn)：①試驗(yàn)周期短，費(fèi)用低。在計(jì)算機(jī)上可以方便地修改各種參數(shù)，研究不同方案下的試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。②可以方便地利用實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)置求解參數(shù)或邊界條件。③不受風(fēng)洞試驗(yàn)中的相似律等問題困擾，具有模擬真實(shí)和理想條件的能力，便于進(jìn)行理論模型實(shí)驗(yàn)。④試驗(yàn)數(shù)據(jù)充足，圖形可視。⑤模型不受測點(diǎn)數(shù)目及布置部位的限制，可以完整地獲取風(fēng)壓分布圖、流場流速分布圖、流線圖。

本研究針對(duì)近年來環(huán)保領(lǐng)域煙塔合一排放方式的排放特征，以國內(nèi)現(xiàn)有典型12座熱電廠排煙冷卻塔為研究對(duì)象，采用數(shù)值風(fēng)洞模型的方法，重點(diǎn)描述冷卻塔下風(fēng)向壓力場、流場及湍流強(qiáng)度場的一般規(guī)律，并總結(jié)不同冷卻塔塔型對(duì)排煙冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

課題選取華電江陵發(fā)電廠、國電朝陽熱電廠等12個(gè)電廠冷卻塔作為數(shù)值風(fēng)洞模型空腔區(qū)模擬研究對(duì)象。熱電廠煙塔合一排放煙氣的參數(shù)見表1。

表1 煙塔合一排放參數(shù)表Tab.1 Parameters of smoke tower

1.2 物理模型及計(jì)算方法

本研究以計(jì)算流體力學(xué)、熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建大氣邊界層、建構(gòu)筑物、熱交換、污染物狀態(tài)數(shù)值風(fēng)洞模型。

數(shù)值風(fēng)洞是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱為CFD)技術(shù)與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。前置幾何處理及CFD求解器、CFD數(shù)據(jù)可視化、圖形用戶界面以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫是數(shù)值風(fēng)洞軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程實(shí)踐中的一個(gè)不可或缺的工具，采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可以在很大程度上避免理論和實(shí)驗(yàn)的困難與缺陷。數(shù)值風(fēng)洞模擬包括數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算網(wǎng)格生成、湍流模型等內(nèi)容。目前主要的數(shù)值模擬方法可分為：有限差分法、有限元法、有限體積法和渦方法。有限體積法物理意義明確，能夠保證離散方程的守恒特性，同時(shí)繼承了有限差分和有限體積法的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)值風(fēng)洞的商用軟件中應(yīng)用最為廣泛。網(wǎng)格生成可采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有構(gòu)造方便、自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算域局部網(wǎng)格加密有較好的表現(xiàn)。

1.2.1 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表述形式。它的前提是對(duì)流體采用連續(xù)介質(zhì)模型，速度和密度都是空間坐標(biāo)及時(shí)間的連續(xù)、可微函數(shù)。

對(duì)于三維不定常流，用 x、y、z表示空間直角坐標(biāo)，用 u、v、w 作為質(zhì)點(diǎn)的速度 U 的分量，ρ是流體的密度，則具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

1.2.2 三維N-S方程

三維 N-S方程實(shí)質(zhì)上是微分形式的動(dòng)量方程，見式(2)～(4)。對(duì)任一流動(dòng)系統(tǒng)而言均遵循動(dòng)量定理，即微元系統(tǒng)內(nèi)流體的動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等于作用在該微元系統(tǒng)上所有外力之和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律。

式中：fx、fy、fz分別為質(zhì)量力的分量，N/m2；p 為大氣壓力，Pa。

1.2.3 湍流方程

在實(shí)際工程湍流計(jì)算中 k-ε二方程模型應(yīng)用最廣，本次研究以 k-ε二方程模型為主。k-ε二方程模型中的k指單位質(zhì)量流量的湍流脈動(dòng)動(dòng)能，ε指脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率。在引入一些假設(shè)后，由N-S方程推得的k-ε方程如下：

式中：k為湍流動(dòng)能；i為自由指標(biāo)；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；ε為湍流中單位質(zhì)量流體脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率；σk為湍動(dòng)能的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.0；C1ε、C2ε、C3ε均為模型常量；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由于浮力影響而引起的湍流動(dòng)能；YM為在可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散的影響；μt為湍流粘性系數(shù)(流體力學(xué)的公式中一般變量均為無量綱，下同)。

k-ε流動(dòng)方程的湍流普朗特?cái)?shù)表示在氣體里動(dòng)量的分子擴(kuò)散系數(shù)與熱量的分子擴(kuò)散系數(shù)的比值。

1.2.4 熱傳質(zhì)方程

熱傳質(zhì)是由于溫度差所引起的能量傳遞過程，以及因物質(zhì)組分濃度差異而伴隨發(fā)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。熱傳質(zhì)是以導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱為傳遞過程的基本形式及建立經(jīng)典理論框架的基本內(nèi)涵，加上基本形式的耦合及其與各種基本原理和應(yīng)用深層交叉融和衍生的傳遞現(xiàn)象。

能量方程的形式為：

式中：E為單位質(zhì)量流體的存儲(chǔ)能；P為靜壓；T為溫度；hj為組分j所占的比例；uj為速度；(τij)eff為有效的切應(yīng)力張量；uj(τij)eff為耗散功；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為組分j的擴(kuò)散流量；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱以及其他定義的體積熱源項(xiàng)。該方程右邊前3項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和黏性耗散帶來的能量運(yùn)輸。

1.3 數(shù)值風(fēng)洞模型的建立

利用 Fluent前置軟件 Gambit建立三維預(yù)測模型，劃分網(wǎng)格并設(shè)置基本邊界條件，建立電廠排煙冷卻塔三維數(shù)值風(fēng)洞模型，網(wǎng)格劃分以5,m為步長。

1.4 計(jì)算情景方案

為研究不同塔型對(duì)冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍的影響，各空腔區(qū)模擬模型選取相同的氣象參數(shù)，風(fēng)速取20,m/s，風(fēng)廓線指數(shù)取0.15。環(huán)境溫度設(shè)置為25,℃，溫度層結(jié)按每升高1,000,m溫度下降6,℃計(jì)，環(huán)境相對(duì)濕度為80%,。

2 計(jì)算結(jié)果的分析

2.1 電廠排煙冷卻塔周邊流場模擬

為研究電廠排煙冷卻塔下風(fēng)向流場分布規(guī)律，以安慶電廠冷卻塔作為冷卻塔下風(fēng)向流場分析研究對(duì)象。將冷卻塔劃分為迎風(fēng)面、側(cè)面和背風(fēng)面 3部分。由數(shù)值風(fēng)洞對(duì)冷卻塔表面壓力場模擬可以看出：在冷卻塔迎風(fēng)面上呈正壓分布，冷卻塔側(cè)面呈負(fù)壓分布，冷卻塔背風(fēng)面喉部以下呈正壓分布，但冷卻塔口附近出現(xiàn)左右不對(duì)稱的兩個(gè)負(fù)壓區(qū)域，見圖1。

圖1 壓力場分布結(jié)果(風(fēng)速10,m/s)單位(Pa)Fig.1 Distribution of pressure field(wind velocity：10,m/s)Unit：Pa

結(jié)合大氣流場分析可以發(fā)現(xiàn)，冷卻塔口處兩個(gè)負(fù)壓區(qū)域中流場為旋流場，左側(cè)旋流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)旋流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此當(dāng)煙氣從冷卻塔口排放后，位于冷卻塔中心區(qū)域的煙氣向上運(yùn)動(dòng)，冷卻塔口兩側(cè)邊緣的煙氣在流場帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，從而引起煙氣下洗。負(fù)壓旋流場隨著距離的增加而逐漸減弱，至冷卻塔下風(fēng)向300,m左右區(qū)域逐漸消失，見圖2。

圖2 速度矢量流場分布(風(fēng)速10,m/s)Fig.2 Distribution of velocity vector field(wind velocity：10,m/s)

2.2 冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)模擬結(jié)果

所謂“空腔區(qū)”是指當(dāng)流體流過鈍頭物體(非流線體)時(shí)，在物體的下游邊界處會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，背風(fēng)側(cè)的分離區(qū)中會(huì)出現(xiàn)低壓區(qū)。由于冷卻塔的形狀不同，空腔區(qū)的大小也不盡相同，基本特征為冷卻塔的高度決定空腔區(qū)的高度，冷卻塔的寬度決定空腔區(qū)的寬度，空腔區(qū)的長度則由冷卻塔的高度和內(nèi)徑的比例決定，因此冷卻塔的外形曲線對(duì)空腔區(qū)的范圍影響也較大。

通過計(jì)算冷卻塔下風(fēng)向一定范圍內(nèi)的湍流強(qiáng)度分布，以湍流強(qiáng)度分布結(jié)果確定冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)的范圍。以安慶電廠冷卻塔下風(fēng)向湍流強(qiáng)度場分布結(jié)果為例，進(jìn)行說明，見圖3。安慶電廠下風(fēng)向空腔區(qū)高 240,m，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔上部區(qū)域(180,m 高)空腔區(qū)長度達(dá)到最大值為 460,m，寬度為 140,m；隨后空腔區(qū)長度隨高度降低而變短，在冷卻塔中部區(qū)域(110,m 高)達(dá)到最小值為 320,m，寬度為 140,m；冷卻塔下部區(qū)域(50,m 高度)空腔區(qū)長度為 500,m，寬度為 240,m；近地面區(qū)域(10,m 高度)空腔區(qū)長度為600,m，寬度為280,m。

圖3 空腔區(qū)分布圖(風(fēng)速10,m/s)Fig.3 Distribution of cavity(wind velocity：10,m/s)

2.3 不同冷卻塔型排煙冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)分布結(jié)果分析

如表2所示，選取華電江陵發(fā)電廠、國電朝陽熱電廠等12個(gè)電廠冷卻塔作為數(shù)值風(fēng)洞模型空腔區(qū)模擬研究對(duì)象，對(duì)不同類型冷卻塔空腔區(qū)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)高度為1.22～1.46,H(H 為冷卻塔高度)，上部空腔區(qū)寬度為 0.83～1.45,d(d為冷卻塔出口直徑)，下部空腔區(qū)寬度為 2.59～4.40,D(D為冷卻塔底部直徑)。

表2 空腔區(qū)分布結(jié)果Tab.2 Distribution of cavity

本次研究中華電江陵發(fā)電廠、國電朝陽熱電廠等12個(gè)電廠冷卻塔塔高和出口直徑之比分布在 1.71～2.98之間，按塔高和出口直徑之比可大致分為細(xì)長型冷卻塔和粗短型冷卻塔。

其中塔高和出口直徑之比＞2.0的冷卻塔為細(xì)長型冷卻塔，其代表為國電朝陽熱電廠冷卻塔、大唐沈東電廠冷卻塔、三河電廠冷卻塔等；塔高和出口直徑之比＜2.0的冷卻塔為粗短型冷卻塔，其代表為正寧電廠冷卻塔、京能盛樂電廠冷卻塔、華能西寧熱電冷卻塔等。

粗短型冷卻塔上部空腔區(qū)最大長度為 590～1,000,m，約 3.60～5.23,H(H 為塔高)，在冷卻塔中部空腔區(qū)長度有所減小，中部空腔區(qū)長度為 400～670,m，約 2.25～3.81,H；細(xì)長型冷卻塔上部和中部空腔區(qū)長度范圍為 280～450,m，上部空腔區(qū)長度約為1.92～2.77,H，中部空腔區(qū)約為 1.69～3.69,H，明顯小于粗短型冷卻塔。

3 結(jié)論與展望

①根據(jù)模擬結(jié)果冷卻塔口下風(fēng)向附近出現(xiàn)左右不對(duì)稱的 2個(gè)負(fù)壓區(qū)域，結(jié)合大氣流場分析可以發(fā)現(xiàn)，冷卻塔口處兩個(gè)負(fù)壓區(qū)域中流場為旋流場，左側(cè)旋流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)旋流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此當(dāng)煙氣從冷卻塔口排放后，位于冷卻塔中心區(qū)域的煙氣向上運(yùn)動(dòng)，冷卻塔口兩側(cè)邊緣的煙氣在流場帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，從而引起煙氣下洗。

②冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍與冷卻塔塔型密切相關(guān)，以華電江陵發(fā)電廠、國電朝陽熱電廠等 12 個(gè)電廠冷卻塔作為數(shù)值風(fēng)洞模型空腔區(qū)模擬研究對(duì)象，模擬結(jié)果顯示，冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)高度為 1.22～1.46,H(H為冷卻塔高度)，上部空腔區(qū)寬度為 0.83～1.45,d(d為冷卻塔出口直徑)，下部空腔區(qū)寬度為2.59～4.40,D(D 為冷卻塔底部直徑)。細(xì)長型冷卻塔空腔區(qū)長度比例范圍明顯小于粗短型冷卻塔。

③研究結(jié)果與應(yīng)用實(shí)踐證明，數(shù)值風(fēng)洞模型的預(yù)測結(jié)果可以準(zhǔn)確地描述冷卻塔下風(fēng)向壓力場、流速場和湍流強(qiáng)度場分布場情形，并可以直觀、形象地對(duì)排煙冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍進(jìn)行表現(xiàn)，為建立大氣污染預(yù)測的新模式提供了新的思路。