空冷島對底層大氣邊界層特性的影響

吳正人， 路婷婷， 王松嶺， 靳超然

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003)

近幾十年來，空冷技術(shù)作為一種新的節(jié)水途徑，在我國“富煤缺水”的三北地區(qū)逐步發(fā)展起來.目前，國內(nèi)針對空冷島的研究多數(shù)集中在分析如何提高空冷島的表面換熱參數(shù)[1-3]，而將空冷島與局地環(huán)境結(jié)合起來的研究較少.就國內(nèi)而言，將空冷島和環(huán)境結(jié)合起來的研究主要是關(guān)于環(huán)境風(fēng)對空冷島的影響.空冷島運行時產(chǎn)生的熱會排放到大氣環(huán)境中，對周圍氣流流動產(chǎn)生一定的影響，加強了豎直方向上各物理量的交換.事實上,不僅環(huán)境對空冷島的運行有一定的影響，空冷島的運行也會影響環(huán)境.

大氣近地面是大氣邊界層最接近地表的一部分，也是與下墊面有直接作用的氣層，地表與大氣中的物質(zhì)、能量和熱量交換均通過此氣層.大氣系統(tǒng)中氣流在切變條件下的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致剪切湍流，浮力會造成上下熱對流不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致向湍流過渡[4].垂直風(fēng)切變、動量和熱量通量是大氣邊界層的底層特性，其變化規(guī)律可為研究大氣湍流作參考.王新平等[5]、何文等[6]通過觀測試驗北京城市的下墊面，發(fā)現(xiàn)了城市近地層動量通量和熱量通量的變化規(guī)律以及潛在的氣候影響.徐祥德等[7]利用GPS加密探空試驗時段資料，結(jié)合邊界層鐵塔的綜合觀測資料，分析得出湍流通量的變化對局地降水過程的影響.黃倩等[8]通過野外觀測和數(shù)值模擬方法證明風(fēng)切變的存在會導(dǎo)致對流邊界層高度變高.Lu等[9]在穩(wěn)定大氣邊界層條件下對非對稱的渦輪機進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地表動量通量減小30%，熱量通量也會發(fā)生變化，并推測這些變化將會對當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)生影響.Lu等[10]和Rajewski 等[11]對整個風(fēng)電場進(jìn)行了數(shù)值模擬和觀測研究，發(fā)現(xiàn)大型風(fēng)電場的運行對熱量通量和動量通量有一定影響，且白天的影響更顯著.王學(xué)佳等[12]研究了青藏高原地區(qū)的平均感熱通量變化的突變特征，并分析了影響高原熱量通量變化的因素以及高原感熱的變化對東南亞夏季風(fēng)的影響.

筆者利用Gambit軟件建立空冷島模型，采用Fluent軟件對空冷島近地層的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同高度處垂直風(fēng)切變和湍流通量的變化情況，為研究空冷島運行引起的潛在環(huán)境影響提供了一定的指導(dǎo).

1 模型及計算方法

1.1 模型建立

以某600 MW直接空冷機組所在區(qū)域為研究對象，整體空間大小為1 000 m×500 m×500 m，流場區(qū)域如圖1所示.基于Rooyen等[13]的相關(guān)結(jié)論，對空冷島進(jìn)行簡化，區(qū)域大小為70 m×80 m×10 m，空冷島的運行溫度為40 ℃[14]，在空冷島附近設(shè)置汽輪機房和鍋爐房.對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用分塊劃分的方式，對局部區(qū)域進(jìn)行加密，大區(qū)域采用相對稀疏的六面體網(wǎng)格，小區(qū)域采用相對密集的四面體網(wǎng)格.為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，對模擬結(jié)果進(jìn)行比較，最后選取網(wǎng)格個數(shù)為2.78×106.

圖1 整體流場區(qū)域

1.2 控制方程及邊界條件

筆者主要研究局部區(qū)域大氣邊界層的湍流流動和換熱過程，因此控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程.計算采用k-ε湍流模型，流項差分采用一階迎風(fēng)格式，壓力與速度的耦合采用Simple算法.空冷島區(qū)域作為一種復(fù)雜的下墊面，主要邊界條件為：

(1)入口風(fēng)速分布.

近地層風(fēng)速隨高度會發(fā)生變化，因此通過UDF設(shè)置入口速度，可滿足大氣邊界層函數(shù)，即迪肯(Deacon)冪定律：

UZ=U0(Z/10)0.16

(1)

式中：UZ為Z高度處的風(fēng)速；U0為參考高度處的風(fēng)速；Z為任意高度.

(2)入口湍動能和湍動能耗散率[15].

(2)

ε=K1.5/(0.2Hy)

(3)

式中：Hy為計算域的最大高度，取值為500 m；K為入口湍動能；ε為湍動能耗散率.

(3)入口溫度分布.

通過UDF設(shè)置入口不同的溫度層結(jié).入口溫度為線性分布，近地層溫度隨高度的分布為穩(wěn)定層結(jié)時，溫度隨高度遞增，dT/dz為0.003；溫度隨高度的分布為不穩(wěn)定層結(jié)時，溫度隨高度遞減，dT/dz為-0.003[16].

(4)模型頂部及側(cè)面設(shè)置為零滑移壁面的對稱邊界，出口為自由出流；底部采用無滑移邊界條件.大氣邊界層對應(yīng)的地面粗糙高度為0.01 m，溫度為295.15 K.

1.3 風(fēng)切變指數(shù)的計算

垂直風(fēng)切變指數(shù)可更直接地表示大氣邊界層特征.因大氣運動自身特性以及下墊面環(huán)境的影響，近地層風(fēng)速往往隨高度變化，氣流分布呈現(xiàn)不均勻特性，導(dǎo)致風(fēng)切變特征復(fù)雜多樣.

風(fēng)切變指數(shù)的計算公式為：

(4)

式中：α為風(fēng)切變指數(shù)；V2為Z2高度處的風(fēng)速，其中Z2取為200 m；V1為Z1高度處的風(fēng)速，其中Z1取為100 m.

1.4 湍流通量的計算

下墊面對大氣邊界層的影響主要包括動量通量和熱量通量2方面.在近地層，單位時間、單位面積內(nèi)垂直輸送的動量通量和熱量通量分別為：

(5)

H=-ρcpu*T*

(6)

式中：τ為動量通量；H為熱量通量；ρ為大氣密度；cp為空氣比定壓熱容；u*為摩擦速度；T*為溫度尺度.

利用空氣動力學(xué)計算湍流通量，在均勻下墊面近地層中，根據(jù)Monin-Obukhov相似理論取地面為零平面.垂直方向上風(fēng)速梯度和溫度梯度分別為：

(7)

(8)

式中：u為全風(fēng)速；T為溫度；h為地表粗糙元平均高度；k為Karman常數(shù)；ΦM、ΦH分別為動量和熱量的通用穩(wěn)定函數(shù)；L為Monin-Obukhov長度；z為距地面的水平高度.

(9)

式中：g為重力加速度.

將式(7)～式(9)代入式(5)和式(6)，得到動量通量和熱量通量：

(10)

(11)

通過模擬可得到不同高度處的風(fēng)速和溫度分布[17]：

(12)

式中：下標(biāo)1、2分別表示不同觀測高度處對應(yīng)的風(fēng)速或溫度；A表示溫度或風(fēng)速.

根據(jù)Pruitt等[18]可得到ΦM、ΦH與梯度理查德森數(shù)Ri的關(guān)系，該方法不需迭代求解，計算量小.

當(dāng)Ri≥0時：

(13)

當(dāng)Ri<0時：

(14)

(15)

2 計算結(jié)果及分析

大氣邊界層位于對流底層，是地球與大氣之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的橋梁，大氣邊界層內(nèi)湍流交換過程決定了邊界層內(nèi)各種變量的分布及變化情況，空冷島及周圍的建筑物增加了下墊面的非均勻性，加大了低層大氣的拖曳作用，直接影響到大氣中的特性參數(shù).

2.1 空冷島對風(fēng)速的影響

圖2為來流風(fēng)速為3 m/s時下游不同距離的風(fēng)速云圖.空氣向下游流動，低空低速氣流與高空高速氣流混合，尾流區(qū)域與周圍區(qū)域的氣流混合，下游的風(fēng)速衰減隨距離的增大而減小.

圖2 空冷島下游不同距離處的風(fēng)速云圖

如圖3所示，沿流向取不同高度處的中心線，發(fā)現(xiàn)不同高度處空冷島及建筑物對風(fēng)速的影響不同.在100 m高度處，空冷島及建筑物對風(fēng)速的影響明顯，空冷島排除的氣流使得下游的風(fēng)速增大，建筑物對風(fēng)速也有明顯的阻礙作用，導(dǎo)致風(fēng)速先迅速減小，隨后緩慢增大.在200 m以上的高空，整個計算區(qū)域內(nèi)空冷島對風(fēng)速的影響很小，只在空冷島區(qū)域風(fēng)速略微增大，下游風(fēng)速略有減小.

圖3 不同高度處中心線的風(fēng)速變化(1)

圖4為100～200 m高度內(nèi)中心線的風(fēng)速分布.由圖4可以看出，建筑物對風(fēng)速的阻礙作用隨高度的增加而逐漸減小，且風(fēng)速減小的區(qū)域逐漸向流場后部移動，在175 m高度處風(fēng)速減小的區(qū)域已超出計算區(qū)域，可認(rèn)為風(fēng)速減小的區(qū)域隨著高度的增加而逐漸后移、減小，最終消失.

圖4 不同高度處中心線的風(fēng)速變化(2)

2.2 空冷島對溫度的影響

圖5為空冷島下游不同距離處的溫度云圖.由圖5可以看出，隨著氣流向下游延伸，空冷島對溫度的影響逐漸朝橫向縱向擴展，但其影響程度逐漸減弱，在垂直空冷島高度方向上，空冷島對溫度的影響程度也呈減弱趨勢.

圖5 空冷島下游不同距離處的溫度云圖

來流風(fēng)速為3 m/s時中心線不同高度處的相對溫度分布如圖6所示.在100 m高度處，空冷島對溫度的影響較為明顯，溫度升高近3 K.在200 m高度處，空冷島熱排放對溫度的影響減弱，且影響范圍向下游移動.在300 m和400 m高度處，計算區(qū)域范圍內(nèi)溫度變化不明顯.

圖6 不同高度處中心線的溫度

2.3 空冷島對風(fēng)切變指數(shù)的影響

風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，風(fēng)切變指數(shù)的變化受到風(fēng)速、溫度和地形等因素的影響，風(fēng)切變指數(shù)還與積云的變化、降雨有很大的關(guān)系[19].

來流風(fēng)速分別為3 m/s和6 m/s時，不同層結(jié)條件下風(fēng)切變指數(shù)沿流動方向的變化如圖7所示.由圖7(a)可知，風(fēng)切變指數(shù)有一個較小值，其原因是空冷島導(dǎo)致上下層交換變強；隨后風(fēng)切變指數(shù)有一個較大值，主要是空冷島及建筑物的影響，使得地形起伏不平；風(fēng)切變指數(shù)的總體變化呈先增大后減小的趨勢，說明尾流區(qū)域各層之間的湍流交換依然存在.比較不同層結(jié)的風(fēng)切變指數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定層結(jié)的風(fēng)切變指數(shù)幾乎均大于不穩(wěn)定層結(jié)的風(fēng)切變指數(shù).這是因為白天地表溫度高于大氣溫度，導(dǎo)致湍流加強，層結(jié)不穩(wěn)定，因此風(fēng)切變指數(shù)變??；夜間大氣溫度高于地表溫度，上下層交換減弱，大氣處于穩(wěn)定層結(jié)，因此風(fēng)切變指數(shù)變大.比較圖7(a)和圖7(b)可知，來流風(fēng)速不同時風(fēng)切變指數(shù)的變化規(guī)律基本相似，但是來流風(fēng)速變大，風(fēng)切變指數(shù)較大值出現(xiàn)的位置向下游移動，這可能是因為風(fēng)速增大導(dǎo)致建筑物的影響范圍變大.而在不穩(wěn)定層結(jié)條件下風(fēng)切變指數(shù)變大的趨勢不明顯，說明湍流交換不強烈.

(a)來流風(fēng)速為3 m/s

(b)來流風(fēng)速為6 m/s

2.4 空冷島對動量通量和熱量通量交換的影響

湍流通量在水平方向的輸送主要由風(fēng)來完成，且比水平方向的湍流輸送大得多，而湍流通量在垂直方向的輸送主要由湍流輸送來完成，可基于風(fēng)溫數(shù)據(jù)計算得出，其中Z1為60 m,Z2為300 m,g為9.8 m/s2,cp為1.008 kJ/(kg·K).

圖8為不同來流風(fēng)速下有無空冷島運行時動量通量和熱量通量的變化情況.由圖8(a)可知，在空冷島、鍋爐房和汽機房位置處，空冷島運行會導(dǎo)致周圍氣流流動加速，附近動量通量交換增強，單位面積上動量通量的流動增加；風(fēng)速較大時，空冷島對動量通量的影響較大，對其下游的影響范圍也相對較大，但對距空冷島較遠(yuǎn)處影響不大.由圖8(b)可知，空冷島熱排放對熱量通量的影響顯著，由于空冷島與周圍的氣流換熱，導(dǎo)致單位面積上的熱量通量增大.來流風(fēng)速為3 m/s和6 m/s時，空冷島區(qū)域的熱量通量分別為2 071.512 W/m2和1 097.182 W/m2.隨著風(fēng)速的增大，空冷島的熱排放被氣流迅速帶向下游，這也使得下游的熱量通量略有增大.

(a)動量通量

(b)熱量通量

圖9為不同層結(jié)條件下動量通量的變化情況.大氣對豎直運動存在抑制作用，因此穩(wěn)定層結(jié)條件下的動量通量均小于不穩(wěn)定層結(jié)條件下的動量通量.由于空冷島會對氣流產(chǎn)生豎直方向上的擾動，即使在穩(wěn)定層結(jié)條件下，動量通量仍遠(yuǎn)大于不穩(wěn)定層結(jié)下其他區(qū)域的動量通量.來流風(fēng)速增大，導(dǎo)致交換增強，故來流風(fēng)速為6 m/s時動量通量均大于較小風(fēng)速時的動量通量.

(a) 來流風(fēng)速為3 m/s

(b) 來流風(fēng)速為6 m/s

圖10為不同層結(jié)條件下熱量通量的變化情況.在穩(wěn)定層結(jié)條件下，溫度隨高度呈遞減趨勢，因此在除空冷島以外區(qū)域的熱量通量均為負(fù)值.穩(wěn)定層結(jié)條件下的熱量通量均小于不穩(wěn)定層結(jié)下的熱量通量.空冷島的熱排放導(dǎo)致熱量通量明顯增大，即使在穩(wěn)定層結(jié)條件下，空冷島區(qū)域的熱量通量也為正值.來流風(fēng)速增大，導(dǎo)致有一部分熱量被帶到下游，故來流風(fēng)速較大時，空冷島區(qū)域的熱量通量小于風(fēng)速較小時的熱量通量，而下游的熱量通量略大于風(fēng)速較小時的熱量通量.

3 結(jié) 論

(1)風(fēng)速增大，風(fēng)切變指數(shù)也略微增大，空冷島附近地形的起伏變化對風(fēng)切變指數(shù)也有影響.

(a) 來流風(fēng)速為3 m/s

(b)來流風(fēng)速為6 m/s

(2)空冷島對動量通量和熱量通量的影響沿流向逐漸減小，且相對于不穩(wěn)定層結(jié)，穩(wěn)定層結(jié)條件下的影響較小；即使在穩(wěn)定層結(jié)條件下，空冷島周圍動量通量和熱量通量的變化程度均大于其他區(qū)域動量通量和熱量通量的變化程度.

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