（热能工程专业论文）喷雾冷却系统对空冷岛换热性能影响的研究.pdf

本人郑重声明：此处所 的研究，是本人在华：l 匕e g 力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 牡一毕，目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：斟 导师签名： 日 飙叩 日 期： _ ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以直接空冷机组中的喷雾冷却系统为研究对象，对空冷岛的换热性能影响 进行数值模拟研究和分析探讨。主要内容包括：对空冷散热器采用多孔介质模型， 对喷雾系统采用离散相模型进行数值模拟，分析喷雾前后换热性能的影响，以及综 。合喷雾系统的布置形式、喷嘴型式、压力、流量、喷孔直径和喷雾角度等多个影响 因素的考虑，进行了对直接空冷中喷雾系统的进一步优化研究。同时结合实际的系 统进行了研究分析，给出了优化前后的效果对比趋势图。为直接空冷机组安全经济 渡夏提出了非常有效的措施，对于喷雾冷却系统的设计和运行具有一定的参考价值 和指导作用。 关键词：直接空冷，喷雾系统，数值模拟，系统优化 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e so u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ei m p a c to fh e a t t r a n s f e ro fa u - c o o l e di s l a n d ，w i t hs p r a yc o o l i n gs y s t e mo fd i r e c ta i r - c o o l i n gu n i ta st h e r e s e a r c ho b i e e l ；n em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：t on u m e r i c a ls i m u l a t ef o ra i r - c o o l e dr a d i a t o r u s i n gp o r o u sm e d i am o d e l , a n df o rs p r a ys y s t e mu s i n gt h ed i s c r e t ep h a s em o d e l ；t oa n a l y z e t h ei m p a c to ft h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e rs p r a y a sw e l la st h r o u g h a r r a n g e m e n to f t h es p r a ys y s t e m ，n o z z l et y p e ，p r e s s u r e , f l o w ，n o z z l ed i a m e t e ra n ds p r a ya n g l e a n do t h e rf a c t o r ss y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e dw h i c hc a r r i e so u to p t i m i z a t i o nf o rs p r a ys y s t e mi n t h ed i r e c t a i r - c o o l i n g c o m b i n i n gw i t ha c t u a ls y s t e m ，f u r t h e ra n a l y s i sw a st h u sb e e n d e v e l o p e d , a n da c q u i r e dt h ee f f e c tc o n t r a s tt r e n df i g u r e sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nw h i c h p r o v i d e sas o u n de f f e c t i v em e a s u r ef o rd i r e c ta i r - c o o l o du n i t ss a f e t ya n de c o n o m i cf u n c t i o n c o n c e r n i n gd e s i g na n do p e r a t i o no ft h es p r a yc o o l i n gs y s t e m , r e f e r e n c ev a l u ea n dg u i d i n g r o l ew a sr e c o m m e n d f a nz h i q i a n g ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nh a i p i n g k e yw o r d s ：d i r e c ta i r - c o o l i n g ，s p r a ys y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s y s t e m o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究动态2 1 3 论文主要研究内容3 第二章直接空冷机组及其喷雾冷却系统4 2 1 直接空冷机组4 2 1 1 工作原理4 2 1 2 主要技术参数5 2 1 3 主要特点8 2 2 喷雾冷却系统9 2 2 1 工作原理9 2 2 2 系统组成1 0 2 2 3 水质要求1 0 2 2 4 喷嘴特性1 0 2 3 本章小结1 1 第三章数值模拟理论基础介绍1 2 3 1f l u e n t 的简单介绍1 2 3 1 1f l u e n t 程序的结构1 2 3 1 2f l u e n t 程序可以求解的问题1 3 3 1 3f l u e n t 程序求解问题的步骤1 4 3 1 4f l u e n t 程序求解方法的选择1 4 3 2 多孔介质模型1 5 3 2 1 多孔介质的理论基础1 5 3 2 2 多孔介质模型的设置1 8 3 3 离散相模型1 8 3 3 1 湍流中的颗粒1 9 3 3 2 应用范围1 9 3 3 3 求解过程2 0 3 4 计算方法特点2 0 第四章直接空冷中喷雾系统的数值模拟2 2 4 1 加装喷雾系统的直接空冷凝汽器换热机理2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 1 直接空冷机组凝汽器变工况特性分析2 2 4 1 2 喷雾系统强化换热机理2 5 直接空冷中喷雾系统的建模2 6 4 2 1 几何模型的建立2 6 4 2 2 数值模型的建立2 7 数值模拟结果与分析3 0 喷雾系统投用的可行性分析3 4 本章小结3 4 直接空冷中喷雾系统的数值优化3 5 喷雾系统的结构3 5 模拟结果与分析3 8 5 2 1 模拟结果3 8 5 2 2 模拟结果分析4 6 5 2 3 原喷雾系统与优化后喷雾系统的对比分析4 9 5 3 本章小结5 l 第六章结论与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，它不仅是关系国家经济安 全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着我国国民经济 的快速发展，对电力的需求增长迅猛，各种大容量、高参数、自动化程度高的大型 发电机组不断投产使用，它们提高了电能生产效率，降低了劳动成本、节约了能源 和劳动力，已经成为我国电力生产的主力军，为我国国民经济的快速发展奠定了基 础。 随着电力工业的迅速发展，大容量高参数的火电机组不断增加。这些机组在燃 用大量煤炭的同时，同时也耗用了大量的水资源。电力工业的发展速度、建设规模、 规划布局本应与国民经济的发展相适应，但由于受到煤和水资源的制约而不能合理 的相适应。我国的煤产地主要集中在北方，而北方又是缺水地区。水资源的匮乏已 成为制约我国北方地区电力建设的一大瓶颈，采用空冷机组是解决水资源问题的有 效措施之一。所以，现阶段从能源和水的合理利用的角度出发，大力发展空冷机组 是一个方向m 引。， ， 近几年来我国大型直接空冷机组得到了广泛的应用，但由于技术还不够成熟， 经验还不够丰富，使机组实际运行中还存在许多问题。突出表现为：空冷机组真空 严密性、散热面脏污及环境风等因素导致机组的运行背压远远高于设计特性，使机 组夏季运行背压过高，存在较长的限负荷运行；机组冬季运行调整背压偏高，机组 习惯性运行方式与可实现的经济运行工况存在着较大的差距。这些问题的存在影响 机组经济运行的同时，也影响到机组设计水平的提高。 从目前投用的3 0 0 m w 、6 0 0 m w 直接空冷机组的实际运行情况看，其夏季低真 空问题是影响机组安全经济运行的主要问题之一。在夏季高温阶段直接空冷机组背 压能够达到4 5 - - - 5 0 k p ad 1 ，严重影响机组的安全经济运行。这样为了保证机组安全 运行，在高气温下，机组将不得不不同程度地限负荷运行。由于夏季运行工况正处 于电网渡夏高负荷运行时期，且从机组的调峰角度看日负荷的高峰负荷也正是环境 温度高的时段。因此机组在夏季必然会出现较长时间大负荷高背压限负荷运行工 况，在这种情况下，一旦出现如大风天气及热风回流等不利情况，很容易造成背压 保护动作机组跳闸问题的出现。这样，不但给机组安全运行带来严重的威胁，同时 也直接影响到电网的安全经济运行。 从空冷机组的设计看，其考核工况，通常以环境温度3 3 左右、背压3 2 k p a 华北电力大学硕士学位论文 3 5 撬设计。尤其是几年前设计的空冷机组，由于当时煤价较低，为减小初投资， 通常设计有一定的“不满发小时数。而在实际运行中，受主机排汽热负荷偏大、 真空系统严密性差、风机出力不足、换热面脏污、环境风速大等不利因素的影响， 在特定的环境温度下，机组的背压往往高于其设计特性所对应的背压约5 k p a l o k p a ，这样必然增加机组的“不满发小时数 。因此在设法控制并解决上述不利 因素的同时，从改善空冷系统换热条件出发，通过在空冷平台上装设喷雾冷却系统， 有效的降低空冷单元风机入口空气温度，增强空冷散热器换热，提高系统真空具有 十分重要的意义h 一，。 1 2 国内外研究动态 随着电力工业的发展，水资源的匮乏已成为制约我国三北地区电力建设的一大 瓶颈。所以采用空冷机组是解决水源问题的有效措施之一。直接空冷系统因其具有 良好的节水效果，近几年得到了广泛的推广和应用。但直接空冷机组在夏季高温时 段出力受阻是一个普遍问题。在夏季，由于气温高，空冷器的冷却能力会明显下降， 导致机组被迫降负荷运行，极端情况下还会使机组的背压超限而导致机组停机，严 重影响机组的经济和安全运行。因此，采取必要的渡夏措施来降低空冷器的入口空 气温度，强化空冷散热器的换热效果是解决直接空冷机组的夏季出力受阻，提高机 组经济性和安全性的有效途径之一。 近几年，由于空冷系统夏季渡夏的问题，许多电厂纷纷对空冷凝汽器加装了水 喷雾系统，每台3 0 0 m w - 6 0 0 m w 机组的耗水量大约为1 5 0 - - 2 0 0 吨时哺1 ，一般将管 道、喷嘴加装在单元内风机出口的平台上( 喷嘴距凝汽器表面较远) 。实际运行情 况表明，加装使用后，根据不同电厂情况，运行背压可降低5 1 0 k p a 。但是，由 于经验不足以及并未按照原本设想的仅在高温段使用，结果是喷雾时要么喷雾水像 下雨似的落到地面、要么一天十几个小时的不间断运行，造成水量的浪费。 其实，水喷雾并不是新技术，早在石化行业就有使用的先例，在我国较早投运 的间接空冷系统上也采用过。尤其在近几年，喷雾冷却系统作为一种有效的降温措 施也得到了广泛的研究口1 。水喷雾系统的类型和机理一般可分为增湿降温型和强化 传热型两种呻1 ，第一种的主要原理是增加空气的湿度，进而降低空气的干球温度来 达到降低机组运行背压；第二种主要原理是加湿空冷凝汽器表面，利用水的汽化潜 热增大传热系数来达到降低机组运行背压，第二种的效果要比第一种好一些。但无 论任何一种，均兼而有之两种的功效，只是根据喷嘴型式，喷嘴的布置位置不同， 两种功效作用不同而已。针对目前实际应用的情况进行分析，根据目前许多电厂设 置的喷嘴位置和喷嘴的流量，喷嘴距离管束表面较远，虽然喷嘴水量较大，但由于 单元内风机气流强大的旋流作用，导致喷出的水到达管束表面的较少，最后大多数 2 华北电力入学硕士学位论文 流到地面，耗水量太大，尽管目前电厂已建的这种系统有明显效果，但并不理想。 另外也有根据直接空冷系统的特点，采用第二种改进型的方式，这种型式要求 喷嘴距管束表面3 0 0 - 5 0 0 m m 范围内，因此，需要较大喷射角度的小喷嘴且数量较 多，从而考虑采用一组移动式水平喷嘴，从上到下，然后再从下到上循环喷雾。或 者，经过现场试验，考虑设置固定喷嘴型式，优化确定喷嘴种类和位置( 喷嘴距管 束表面大于5 0 0 m m ) ，力求找出最佳方案。但是限于直接空冷系统的结构型式，不 太可能考虑像其它行业的那样为水喷雾( 喷淋) 系统设置回收重复利用的水系统， 因此，喷嘴的选型是至关重要的。总之，喷雾系统在大型电站直接空冷系统中的应 用研究还没有成熟，还有待于继续研究完善。 1 3 论文主要研究内容 直接空冷机组的运行表明，其真空严密性差、散热面脏污及环境风等因素是导 致机组运行背压偏高的主要原因，尤其在夏季高温时段，将使机组运行背压过高， 严重影响机组的经济性和安全性。基于此，本文的主要工作内容包括： 1 ) 直接空冷机组凝汽器换热的理论基础，以及喷雾冷却系统的强化换热机理， 为加装喷雾冷却系统提供理论依据。 2 ) 数值模拟的理论基础，介绍c f d 软件的参数设置和计算步骤，以及多孔介 质和离散相模型，为空冷凝汽器换热的数值模拟作准备。 3 ) 采用标准k g 湍流模型，对空冷岛平台及其外部流场和散热器的换热进行 数值模拟，并且通过喷雾模型对空冷岛平台上加装喷雾冷却系统后的换热进行数 值模拟，分析风机入口空气温度，速度，喷嘴特性等因素对空冷凝汽器换热效率的 影响，为喷雾冷却系统的优化设计和空冷机组的高效运行提供数值参考。 3 2 1 1 工作原理 式凝汽 系统) ， 里只对 汽轮机排汽在空冷凝汽器中被空气冷却而凝结成水，排汽与空气之间的热交换 是通过表面式空冷凝汽器完成。在直接空冷换热过程中，利用散热器翅片管外侧流 过的冷空气与翅片管之间的换热( 主要是对流换热) ，将凝汽器中处于真空状态下的 汽轮机排汽冷凝，冷凝后的凝结水经回热后送回锅炉。直接空冷机组的汽水系统见 图2 - 1 m 1 ，直接空冷系统工作流程见图2 2 。 1 锅炉；2 过热器；3 汽轮机；4 空冷凝汽器；5 凝结水泵6 凝结水精处理装置 7 凝结水升压泵：8 低压加热器；9 除氧器；1 0 给水泵；1 1 高压加热器；1 2 汽 轮机排气管道；1 3 轴流冷却风机；1 4 立式电动机：1 5 凝结水箱；1 6 除铁器；1 7 发电机 图2 - i 直接空冷机组原则性汽水系统 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 直接空冷系统工作流程图 2 1 2 主要技术参数n 妇 1 ) 排汽参数 以垂直于排汽流动方向的汽机排汽口平面处o 3 n l 为基准点。 排汽压力只：汽机排汽口平面处排汽平均静压力，p 口。 排汽温度：与排汽压力相对应的饱和温度，。 排汽的蒸汽含量( 排汽干度) x ：汽机排汽中，干蒸汽含量与排汽总质量之比， k g | 堍。 排汽焓以：汽机排汽口平面处的湿蒸汽焓，_ ，培。 2 ) 空冷凝汽器进汽参数 以垂直于排汽流动方向的第一个空冷凝汽器入口平面处0 3 m 为基准点。 空冷凝汽器入口压力己：空冷凝汽器入口平面处蒸汽平均静压力，忍。 空冷凝汽器入口温度死：与空冷凝汽器入口蒸汽压力对应的饱和温度，。 空冷凝汽器入口焓：空冷凝汽器入口平面处湿蒸汽焓，姆。 3 ) 凝结水参数 以凝结水箱与凝结水泵之间的管道处为基准点。 凝结水温度：凝结水箱出口凝结水平均温度瓦，。 凝结水焓：凝结水箱出口凝结水焓k ，姆。 含氧量：凝结水箱或凝结水泵吸入口处溶解于凝结水的相对氧量，妇堙。 4 ) 空气入口参数 以空冷凝汽器空气入口处为基准点。 空气入口温度：空气入口处冷空气平均温度f d ，。 空气入口密度：对应于空气入口温度和大气压力的空气入口密度成。，堙朋3 。 5 华北电力大学硕士学位论文 空气比热：对应于空气入口状态参数的空气比热c p 口，j ( k g k ) 。 空气动力粘度：对应于空气入口状态参数的空气动力粘度以，p 口s 。 5 ) 空气出口参数 以空冷凝汽器单元上方空气出口截面处为基准点。 空气出口温度：空气出口处冷空气温度的热平均值f 。，。 空气出1 3 密度：对应于空气出口温度和大气压力的空气出口密度见：，姆m 3 。 6 ) 质量流量 排汽质量流量：流经汽轮机排汽口处总的湿蒸汽质量流量，堙j 。 空冷凝汽器质量流量：空冷凝汽器入1 3 截面处总的湿蒸汽质量流量，堙s 。 凝结水质量流量：通过凝结水泵出口的凝结水质量流量，蛔s 。 渗入空气质量流量：由抽气器抽出的全部不凝气体质量流量( 包括工艺过程产 生的气体) ，妇s 。 空气质量流量：冷空气全部质量流量，缸s 。 7 ) 其它空气侧参数 空气流速：在空冷凝汽器的顶端上方约1 小处，未受干扰的环境空气平均风速， m s 。 空气体积流量：风机出口处的空气体积流量，通常正压分布的空气体积流量为 空气质量流量除以出口处空气密度，m 3 s 。 静压升值：用于克服空冷凝汽器空气入口至出口的全部流动阻力的风机静压升 值，p a 。 风机拖动功率：风机轴处输入的功率，形。 风机静压效率：空气体积流量与风机静压升值的乘积除以风机拖动功率。 8 ) 传热参数 传热面积：冷却元件与冷却空气接触的总的外表面积，不包括与空冷凝汽器接 触的管道的表面积，m 2 。 空冷凝汽器热流量：包括热流体的凝结热量、冷流体的吸热量、冷热流体的传 热量，矿。 对数平均温差：蒸汽与冷却空气之间温度差值的平均值，。以式( 2 1 ) 表示： = 坠鼍掣 协1 ) l n ! 鳗刍 l c c 一乞 6 华北电力大学硕士学位论文 式中：l ：与空冷凝汽器入口蒸汽压力对应的饱和温度，； ，乞：空冷凝汽器空气进、出口温度，。 传热系数：在一定的传热面积彳和在冷热流体温降按对数平均温差计算时的传 热量q ，w ( m 2 k ) ；即： k ： 垒 彳f 埘m ( 2 - 2 ) 入口温差i t d ：空冷凝汽器凝结温度与进口空气温度之差，。实为接近温差 搿i t d 一且口： i t d = l c c t l 传热单元数彤：计算式如下式： 删：墨兰丝 m c e a 式中：m ：进入空冷凝汽器空气质量流量，姆s ； c 厶：进入空冷凝汽器空气比热，s ( k g k ) 。 或者为： 温度效率e ：计算式如下式： 或表示为： n t u ：1 2 二! ! & 嗽m e ：尘玉 i t d e ：7 u x a t u m ) i t d 7 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 主要特点 直接空冷机组的优点： 1 ) 耗水量小 在湿冷凝汽器机组中，冷却塔的蒸发损失量很大，而直接空冷凝汽器采用空气 ，减少中间的水冷过程。据统计，采用直接空冷凝汽器系统的机组比湿冷凝汽 组节水6 5 n 们以上。因而由于直接空冷的节水特性，为在富煤而缺水的地区电 设开辟了一条新道路。 2 ) 占地面积小 直接空冷凝汽器系统没有湿冷凝汽器系统中的循环冷却水塔和循环水泵房，是 厂房外，占地面积减少。 3 ) 较高的经济性 在水资源日益紧张、水价不断提高、环保要求等问题的日益突出，直接空冷系 经济性方面的优越性也更加突出。从投资角度看，由于空冷散热器价格昂贵n 们， 运行热耗率较高，但是从长远利益考虑在富煤缺水地区建造电厂及运行所需的 远比水源充足地区的煤炭运输费用低，并且节约大量的用水。因此，直接空冷 的整体经济性要将高于湿冷机组，同时在节约大量用水的同时创造了更高的社 值。 4 ) 运行安全可靠、可随时调节风机运行台数与转速 - 直接空冷机组将整个系统划分为若干单元，如某电厂3 0 0 m w 机组凝汽器系统 为3 0 个凝汽单元，在运行期间可以将出现故障的单元与整体隔离进行维修； 负荷运行下，满足冷却的条件下可以将部分单元停运；可以对每台风机进行变 节，以进行汽轮机背压的调整。 直接空冷系统存在的缺陷： 1 ) 与水冷机组相比，直接空冷机组用于输送冷却空气的轴流风机消耗的电功 大，达到机组发电功率的1 ； 2 ) 受环境气候影响较显著：如夏季背压高、冬季防冻、环境风场的不利影响、 管积灰等： 3 ) 空冷系统投资已经超过整个电站投资的1 0 ，是电厂的“第4 设备一： 4 ) 发电煤耗高：“以煤换水 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 喷雾冷却系统 喷雾冷却系统按照类型和机理一般分为增湿降温型和强化传热型两种，第一种 主要是增加空气的湿度，进而降低空气的干球温度来达到降低机组运行背压的：第 二种主要是加湿空冷凝汽器表面，利用水的汽化潜热增大传热系数来达到降低机组 运行背压。但无论哪一种，均兼而有之两种功效，只是根据喷嘴型式，喷嘴的布置 位置不同，两种功效作用不同而已h 1 。 2 2 1 工作原理 喷雾冷却系统的工作原理其实就是一个雾化水将空气增湿降温的过程。喷雾增 湿降温过程是一个流动、传热和相变传质等多个过程相互耦合的不可逆热力过程。 当空气与雾滴直接接触时，空气与雾滴表面的未饱和的空气之间存在着温差和水蒸 气分压力差，空气温度随着水分蒸发的同时而降低，雾滴与空气的热湿交换如图 2 4 。喷雾增湿法属于直接蒸发冷却方法，其处理方法在j i i d 图上属于空气的等焓 加湿过程如图2 5 所示，其中l 为喷雾前的状态，2 为喷雾后的状态。进而将降温 后的湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量在一定的雾化强度和喷射角 度下，喷雾还会在空冷器的表面形成水膜，水膜的蒸发进一步带走热量，可大大提高 空冷器的换热能力，从而提高机组的出力n 如。 图2 4 雾滴与空气之间的热湿交换图2 5 雾滴增湿后空气的j | l d 图 本文根据上述原理设计了直接空冷喷雾冷却系统，其系统结构示于图2 6 所示， 结合两种喷雾冷却系统，将喷嘴和散热器翅片之间的距离缩短，既能够降低空冷单 元内部空气的温度又可以使一部分雾滴直接喷射在散热器翅片上，这样一部分雾滴 在与空气接触的过程中蒸发，一部分还未来得及和空气换热就已经喷射到翅片表面 9 喷雾系 阀及管 并在进 网、若 和压力 质提出 产生盐 硬垢。 。喷嘴 华北电力大学硕士学位论文 常规喷嘴性能包括有喷嘴型式、压力特性、流量特性、喷雾速度、喷雾角度、 及喷嘴布置形式等。喷嘴的雾化质量除了雾滴尺寸及其分布外，还包括雾滴速度， 雾滴数密度等n 5 1 引。 对喷嘴的要求是：雾化效果好、喷水量大、喷射角大、喷射面积大、不易堵塞。 对管束的喷水量采用迎风面喷水强度曰( 姆( m 2 h ) ) 表示。根据管排数的变化， 曰值根据试验确定，示于表2 一l 。 喷嘴布置的原则是；上密下疏，下面几排由于水滴重力作用向下运动可以补偿， 交叉排列，均匀布置，避免死角n 钔。 表2 - 1b 的经验值 管 排 数 24 6 b ，堙( m 2 h ) 1 2 0 - - 1 5 01 5 0 2 0 01 8 0 2 2 0 2 3 本章小结 在这一章中主要介绍了直接空冷机组的系统结构及一些技术参数，以及与湿冷 机组相对的优缺点，同时还介绍了直接空冷中喷雾系统的工作原理，系统组成及其 一些系统要求。其中喷嘴是最关键的，喷嘴特性影响着整个喷雾系统的好坏。因而 选择一个好的喷嘴是至关重要的。 华北电力大学硕士学位论文 第三章数值模拟理论基础介绍 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所作的分析。 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速 度场、温度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一 定的原则和方法建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解 代数方程组获得场变量的近似值。 鉴于f l u e n t 是一个功能庞大的大型软件，故仅对其基本功能和本文中用到的 多孔介质模型和离散相模型进行简单介绍。 3 1f l u e n t 的简单介绍 f l u e n t 软件是美国f l u e n t 公司开发的通用c f d 流场计算分析软件， f l u e n t 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序， 对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四 边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。f l u e n t 还可根据计算结果调整网 格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于 网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节 约计算时间。 3 1 1f l u e n t 程序的结构 f l u e n t 程序软件包由以下几个部分组成： 1 ) g a m b i 卜用于建立几何结构和网格的生成。 2 ) f l u e n 卜用于进行流动模拟计算的求解器。 3 ) p r e p d f 一用于模拟p d f 燃烧过程。 4 ) t g r i d - - - - 用于从现有的边界网格生成体网格。 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) - - - 转换其他程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。可以 接口的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 利用f l u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图3 - 1 所示n 。首先 利用g a m b i t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出 用于f l u e n t 求解器计算的格式；然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进行求解 计算，并进行计算结果的后处理。 1 2 图3 1 基本程序结构示意图 3 1 2f l u e n t 程序可以求解的问题 f l u e n t 软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格，基本 控制体形状如图3 2 所示n 7 1 。f l u e n t 软件可以计算二维和三维流动问题，在计算 过程中，网格可以自适应调整。 二维网格。 三维网格。 棱锥形 棱柱形 图3 2f l u e n t 的基本控制体形状 1 3 日多涨印 j_-_。-l 会令嗽劣 华北电力大学硕士学位论文 f l u e n t 软件的应用范围非常广泛，主要范围如下： 1 ) 可压缩与不可压缩流动问题。 2 ) 稳态和瞬态流动问题。 3 ) 无黏流，层流及湍流问题。 4 ) 牛顿流体及非牛顿流体。 5 ) 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) 。 6 ) 导热与对流换热耦合问题。 7 ) 辐射换热。 8 ) 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 9 ) 用l a 伊a n g i a n 轨道模型模拟稀疏相( 颗粒，水滴，气泡等) 。 1 0 ) 一维风扇、热交换器性能计算。 1 1 ) 两相流问题。 1 2 ) 复杂表面形状下的自由面流动问题。 3 1 3f l u e n t 程序求解问题的步骤 利用f l u e n t 软件进行求解的步骤如下： 1 ) 确定几何形状，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入其他指定程序生成 的网格) 。 2 ) 输入并检查网格。 3 ) 选择求解器( 2 d 或3 d 等) 。 4 ) 选择求解的方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热模型 等。确定其他需要的模型，如：风扇、多孔介质、喷雾等模型。 5 ) 确定流体的材料物性。 6 ) 确定边界类型及其边界条件。 7 ) 条件计算控制参数。 8 ) 流场初始化。 9 ) 求解计算。 1 0 ) 保存结果，进行后处理等。 3 1 4f l u e n t 程序求解方法的选择 f l u e n t 程序软件的求解方法主要有三种：非耦合求解法，耦合隐式求解法和 耦合显式求解法。 非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方 法则可以用在高速可压缩流动。f l u e n t 默认设置是非耦合求解，但对于高速可压 流动，或需要考虑体积力( 浮力或离心力) 的流动，求解问题时网格要比较密，建议 1 4 华北电力人学硕士学位论文 采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。缺点是需要的 内存比较大( 是非耦合求解迭代时间的1 5 2 0 倍) 。如果必须要耦合求解，但机 器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能 量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长n 。 3 2 多孔介质模型 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿 孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。使用这一模型时，需要定义一个具有多孔 介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决 定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡 假设。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度或压降 特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况 下被使用( 而不是完全的多孔介质模型) ，这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有 更好的收敛性n 引。 3 2 1 多孔介质的理论基础 1 )多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性 损失项( d a r c y ) ，另一个是内部损失项： 墨= d 以+ c ；寺d _ h ( 3 1 ) ，毫i，= i o 式中：墨是i 向( 工，y ，o r z ) 动量源项，d 和c 是规定的矩阵。在多孔介质单元中， 动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度( 或速度方阵) 成比例。 对于简单的均匀多孔介质： s = 等b + g 吾户m 匕 口 z 。“。 ( 3 - 2 ) 式中：口是渗透性，c 2 是内部阻力因子，简单的指定d 和c 分别为对角阵1 a 和 c 2 其它项为零。 1 5 华北电力火学硕士学位论文 f l u e n t 还允许模拟的源项为速度的幂率： s , = c oi t a l q = c o1 1 ，r ( 3 3 ) 式中：g 和q 为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，c o 的单位为国际标准单位。 2 ) 多孔介质的d a r e y 定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数g 可以考虑为零。忽略 对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为d a r e y 定律： 跏：一丝y 口 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为： 蚣言芸啦 产i “对 锄。喜专1 , 6 慨 产i 订 蚣妻乏性 ，i l ”d ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 式中：1 口。为多孔介质动量方程( 3 - 1 ) 中矩阵d 的元素，为三个方向上的分速度， 钿。、，1 ，以及以为三个方向上的介质厚度。 在这里介质厚度其实就是模型区域内的多孔区域的厚度。因此如果模型的厚度 和实际厚度不同，须调节1 a 。的输入。 3 ) 多孔介质的内部损失 在高速流动中，多孔介质动量方程( 3 2 ) 中的常数g 提供了多孔介质内部损失 的矫正。这一常数可以看成沿着流动方向每一单位长度的损失系数，因此允许压降 指定为动压头的函数。 如果模拟的是穿孔板或者管道堆，有时可以消除渗透项而只是用内部损失项， 从而得到下面的多孔介质简化方程： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 写成坐标形式为： 考= 和别叫 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 一l o ) ( 3 - 1 1 ) 4 ) 多孔介质中能量方程的处理 对于多孔介质流动，f l u e n t 仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量 和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区 域的热惯量： 昙( 萌乃t ( 一) 只吃) + 毒( 乃1 ) 2 云( 皇万筹) 一毒手_ ( 3 一，2 ) + 害慨差+ 影+ ( 州) 霹 式中：为流体的焓，吃为固体介质的焓，为介质的多孔性，为介质的有效热 传导系数，影为流体焓的源项，霹为固体焓的源项。 5 ) 多孔介质的有效传导率 多孔区域的有效热传导率是由流体的热传导率和固体的热传导率的体积平 均值计算得到： j | ：咿= 痧l + ( 1 一痧) 恕 ( 3 - 1 3 ) 式中：为介质的多孔性，t 为流体状态热传导率( 包括湍流的贡献毛) ，t 为固体 介质热传导率。 1 7 n h h 乃 办 办 以 嘿 肌 胍 肌 习 习 q g ，州 ，纠 ，一 = = = 职 觋 舭 华北电力大学硕士学位论文 如果得不到简单的体积平均，可能是因为介质几何外形的影响。有效传导率可 以用自定义函数来计算。然而在所有的算例中，有效传导率被看成介质的各向同性 性质。 6 ) 多孔介质中的湍流处理 在多孔介质中，默认的情况下f l u e n t 会解湍流量的标准守恒方程。因此，在 这种默认的方法中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度 没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相 互作用，这样的假设是合情合理的。但是在其它的一些例子中，可能会压制了介质 中湍流的影响。 如果使用k 一占模型或者s p a l a r t a l l m a r a s 模型，设定湍流对粘性的贡献m t 为零， 可能会压制了湍流对介质的影响。当选择这一选项时，f l u e n t 会将入口湍流的性 质传输到介质中，但是它对流动混合和动量的影响被忽略了。除此之外，在介质中 湍流的生成也被设定为零。要实现这一解策略，需在流体面板中打开层流选项。激 活这个选项就意味着多孔介质中的小为零，湍流的生成也为零。如果去掉该选项( 默 认) 则意味着多孔介质中的湍流会像大体积流体流动一样被计算n 钔。 3 2 2 多孔介质模型的设置 模拟多孔介质流动时，对于问题设定需要的附加输入如下： 1 ) 定义多孔区域 2 ) 确定流过多孔区域的流体材料 3 ) 设定粘性系数( 多孔介质动量方程中的1 a u ) 以及内部阻力系数( 多孔介 质动量方程中的g 。) ，并定义应用它们的方向矢量。幂率模型的系数也可以选择指 定。 4 ) 定义多孔介质包含的材料属性和多孔性 5 ) 设定多孔区域的固体部分的体积热生成速度( 或任何其它源项，如质量、 动量) ( 此项可选) 。 6 ) 如果合适的话，限制多孔区域的湍流粘性。 7 ) 如果相关的话，指定旋转轴或区域运动。 在定义粘性和内部阻力系数中描述了决定阻力系数和渗透性的方法。如果使用 多孔动量源项的幂律近似，需要输入多孔介质动量方程中的c o 和g 来取代阻力系数 和流动方向。 3 3 离散相模型 除了求解连续相的输运方程，f l u e n t 也可以在拉氏坐标下模拟流场中离散的 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第二相。由球形颗粒( 代表液滴或气泡) 构成的第二相分布在连续相中。f l u e n t 可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量或质量传递。相间耦合以及耦合结 果对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去n 引。 f l u e n t 提供的离散相模型选择如下： 1 ) 对稳态与非稳态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力 2 ) 预报连续相中，由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成的影响 3 ) 离散相的加热与冷却 4 ) 液滴的蒸发与沸腾 5 ) 颗粒燃烧模型，包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型( 因而可以模拟煤粉燃 烧) 6 ) 连续相与离散相间的耦合 7 ) 液滴的迸裂与合并 应用这些模型，f l u e n t 可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离与 分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤粉 燃烧。 3 3 1 湍流中的颗粒 随机轨道模型或颗粒群模型可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道模型中， 通过应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是跟踪 由统计平均决定的一个“平均丹轨道。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率 分布函数。两种模型中，颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响n 引。 3 3 2 应用范围 颗粒体积分数的适用范围： f l u e n t 中的离散相模型假定第二相( 分散相) 非常稀薄，因而颗粒一颗粒之 间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。这种假定意味着分散 相的体积分数必然很低，一般说来要小于1 0 - - 1 2 。但颗粒质量承载率可以大于1 0 - - 一 1 2 ，即用户可以模拟分散相质量流率等于或大于连续相的流动。 模拟连续相中悬浮颗粒的限制： 稳态拉氏离散相模型适用于具有确切定义的入口与出口边界条件问题，不适用 于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，这类问题经常出现在处理封闭体系中 的悬浮颗粒过程中，包括：搅拌斧、混合器、流化床。但是，非稳态颗粒离散相模 型可以处理此类问题。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 在f l u e n t 的其它模型中应用离散相模型的限制： 1 ) 选择了离散相模型后，不能再使用周期性边界条件( 无论是质量流率还是 压差边界条件) 2 ) 可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用 3 ) 预混燃烧模型中只能使用非反应颗粒模型 4 ) 同时选择了多参考坐标系与离散相颗粒模型时，在缺省情况下，颗粒轨道 的显示失却了其原有意义；同样，相间耦合计算是没有意义的。 3 3 3 求解过程 在f l u e n t 模型中，可以通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每个( 种) 颗粒的温度来使用此模型。依据对颗粒物理属性的定义而确定的颗粒初始条件可以 用来初始化颗粒的轨道和传热或传质计算。当颗粒穿过流体运动时，颗粒的轨道以 及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流或辐射引 起的热量和质量传递来进行计算。可通过图形化界面或文本界面输出计算出的颗粒 轨道以及相应的传热和质量。 既可以通过在一个固定的流场中( 非耦合方法) 来预测离散相的分布，也可以 在考虑离散相对连续相有影响的流场( 相间耦合方法) 中考察颗粒的分布。相间耦 合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响了离 散相的分布。可以交替计算连续相和离