逆溫對(duì)冷卻塔影響的數(shù)值模擬研究

黃志祥

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

0 引 言

氣溫隨海撥高度增大而上升的現(xiàn)象叫逆溫現(xiàn)象。產(chǎn)生逆溫的原因主要有：輻射逆溫、平流逆溫、地形逆溫、下沉逆溫。自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)間冷塔抽力由進(jìn)出口空氣密度差提供，大氣逆溫現(xiàn)象會(huì)影響空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響空冷塔冷卻效果［1］。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有必要研究和考慮工程所在地的大氣逆溫現(xiàn)象。

近來(lái)隨著湍流模型的不斷發(fā)展、完善和計(jì)算機(jī)軟件、硬件的飛速進(jìn)步，對(duì)建筑物周圍溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并獲得較可靠結(jié)果成為可能。本文以某大型電廠為例進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用先進(jìn)的CFD軟件模擬一般強(qiáng)度大氣逆溫下間冷系統(tǒng)的運(yùn)行，為考查間接空冷系統(tǒng)抗逆溫能力及措施提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1．1 計(jì)算模型

電廠周圍環(huán)境空氣看成是不可壓縮的，外流場(chǎng)應(yīng)滿足的三維控制方程為［2］：

a連續(xù)方程：

b動(dòng)量方程：

c能量方程：

式中ρ為空氣密度；u為速度；p為壓力；T為溫度；Si為動(dòng)量方程源項(xiàng)；ST為能量方程源項(xiàng)；k為流體導(dǎo)熱系數(shù)；cp為比熱容；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；i＝1，2，3。

在一般情況下整個(gè)外流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，因此對(duì)上面的控制方程采用時(shí)間平均的方法，對(duì)于平均后得到的不封閉的時(shí)均方程采用湍流模型進(jìn)行封閉。在本項(xiàng)目中湍流模型采用RNGk－ε湍流模型，該模型利用重整化群理論得到，以往的大量算例表明，該模型來(lái)模擬分離流較為合理。電廠建筑物外流場(chǎng)更是存在大量的分離區(qū)，因此選用了該模型。

該模型的湍流動(dòng)能方程為：

d湍流耗散率方程：

式中k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；μeff＝μ＋μt，μt為湍流粘性系數(shù)；η＝Sκ／ε；S＝ （2sijsij）1／2。

上述模型方程采用SIMPLE （Semi－Implicit Method for Pressure－Linked Equation）方法求解控制方程，利用壓力修正法來(lái)求解定常外流場(chǎng)控制方程，SIMPLE方法是壓力修正法中較為常用的一種，其基本思想是首先假定一個(gè)速度場(chǎng)和一個(gè)壓力場(chǎng)，依次求解動(dòng)量方程，并由連續(xù)方程得到壓力修正值，利用壓力修正值來(lái)得到速度修正值，并求解k，ε方程，再將壓力修正值和速度值作為下次計(jì)算的假定值，重新計(jì)算。

1．2 邊界條件

1．2．1 散熱器邊界條件

采用福哥散熱器的換熱性能設(shè)定換熱器的阻力和換熱系數(shù)［3］。

1．2．2 入口條件

入口邊界條件采用速度入口邊界條件。本計(jì)算中采用大氣邊界函數(shù)：

式中Z∞為氣流達(dá)到均勻時(shí)的速度；U∞為Z∞處來(lái)流平均風(fēng)速；Zi為任意高度；Ui為Zi處平均速度；α為地面粗糙系數(shù)，粗糙度越大α越大。本計(jì)算中Z∞＝10m，α＝0．16。

1．2．3 出口條件

出口邊界條件選用壓力出口邊界條件，根據(jù)大氣壓與海拔高度的關(guān)系給定流動(dòng)出口邊界上的靜壓。

式中P為大氣壓，mmHg；a為海拔高度，m。

1．3 網(wǎng)格劃分

垂直布置空冷塔的結(jié)構(gòu)底部直徑為190m，頂部出口為105m，雙曲線外形，高度245m，進(jìn)風(fēng)口高度29m，冷卻單元布置在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口外側(cè)，全塔共240個(gè)單元，單元中的散熱元件采用福哥T60散熱器的數(shù)據(jù)［4］，管子直徑18mm，節(jié)距2．88mm。每個(gè)冷卻單元長(zhǎng)度25m，寬度約2．6 m。本冷卻塔共剖分了217×104個(gè)三角形單元，網(wǎng)格在冷卻塔進(jìn)出口處適當(dāng)加密［5］（圖1）。

圖1 冷卻塔三維模型Fig．1 Model of cooling tower in 3D

2 計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算系統(tǒng)能力及時(shí)間關(guān)系，只對(duì)單塔進(jìn)行流場(chǎng)分析，忽略塔群之間的相互影響。為分析大氣逆溫現(xiàn)象對(duì)間冷系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本文假定在夏季工況設(shè)計(jì)溫度29．6℃，風(fēng)速4m／s條件下在近地面50～500m發(fā)生溫度變化范圍為10℃的大氣逆溫現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～圖7。

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，無(wú)大氣逆溫和50～500m范圍發(fā)生10℃大氣逆溫兩種不同條件下間冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比，見(jiàn)表1。

圖7 間冷塔縱剖面的速度矢量圖Fig．7 Velocity vector（vertical profile）

表1 大氣逆溫對(duì)間冷塔換熱效果的影響Table 1 Impact of temperature inversion to cooling tower

3 結(jié) 論

大氣逆溫會(huì)降低冷卻塔抽力，進(jìn)而影響冷卻效果。本文在假設(shè)條件下的大氣逆溫使運(yùn)行背壓提高約2kPa。從模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，由于該電廠間冷系統(tǒng)冷端規(guī)模較大，其對(duì)大氣逆溫等不利自然因素的緩沖能力也較強(qiáng)，一般強(qiáng)度大氣逆溫對(duì)冷卻塔工作的影響尚在可以接受的范圍內(nèi)。該電廠廠址所在地大氣逆溫并不嚴(yán)重，但對(duì)于大氣逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁的地區(qū)，在進(jìn)行冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意大氣逆溫的影響［6］，尤其是與其他不利氣象條件疊加所產(chǎn)生的不利影響。

［1］西北電力設(shè)計(jì)院．電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè) ［K］．北京：中國(guó)電力出版社，2005．

［2］吳德銘，郜 冶．實(shí)用計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ) ［M］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006．

［3］楊立軍，杜小澤，楊勇平．間接空冷系統(tǒng)空冷散熱器運(yùn)行特性的數(shù)值模擬 ［J］．動(dòng)力工程，2008，28（4）：594－599．

［4］黃春花，趙順安．間接空冷阻力特性試驗(yàn)研究 ［J］．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào) ，2011，9（3）：195－199．

［5］朱 嵩．基于RNGk－ε湍流模型的直接空冷島數(shù)值模擬研究 ［J］．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29 （15）：45－46．

［6］徐婷婷，郭 洋．火電廠空冷技術(shù)探討 ［J］．應(yīng)用能源技術(shù) ，2011，（9）：41－44．