基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的冷卻塔空腔區(qū)范圍 影響因素研究

沈凡卉，徐振，楊光俊，郝天明

（國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，南京 210031）

火電廠“煙塔合一”技術(shù)將煙囪設(shè)置在冷卻塔內(nèi)，利用冷卻塔熱力抬升來排放煙氣[1]。該技術(shù)起源于德國，可簡化火電廠的煙氣系統(tǒng)，減少設(shè)備投資，并節(jié)約土地資源[2]，因此在世界各地得到應(yīng)用[3-4]。德國采用“煙塔合一”的火電裝機(jī)總?cè)萘砍^1200×104kW，最大單機(jī)容量達(dá)97.8×104kW[5]。我國自2005 年引進(jìn)該技術(shù)，目前最大單機(jī)容量也達(dá) 100×104kW。Schatzmann 等采用風(fēng)洞模擬“煙塔合一”污染物擴(kuò)散特征，認(rèn)為環(huán)境風(fēng)速較大時，污染物會出現(xiàn)下洗[6]。國內(nèi)采用實(shí)地勘測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等技術(shù)對冷卻塔結(jié)構(gòu)及煙氣抬升情況的研究表明，“煙塔合一”污染物下洗的原因?yàn)槔鋮s塔背風(fēng)面會產(chǎn)生“空腔區(qū)”[7-9]，下冼可能造成“空腔區(qū)”內(nèi)地面高濃度及小水滴呈酸性沉降等問題?？涨粎^(qū)是指當(dāng)流體流過鈍頭物體時，在物體的下游邊界處會發(fā)生流動分離現(xiàn)象，背風(fēng)側(cè)的分離區(qū)中會出現(xiàn)低壓區(qū)。與圓柱體類似，冷卻塔后方不會產(chǎn)生像長方體那樣固定的水平渦，而是在圓柱體的兩側(cè)交替產(chǎn)生垂直軸的渦，且不斷脫落，流向下游，形成卡門渦街?？ㄩT渦街組成的尾跡區(qū)也是低壓區(qū)，壓力要比圓柱體前面的來流壓力低得多，湍流強(qiáng)度也比較大。目前，對空腔區(qū)范圍的研究主要集中在長方體和圓柱體，而冷卻塔水平截面是圓形的，外形在垂直方向是雙曲面，不能簡單地用長方體和圓柱體的經(jīng)驗(yàn)公式計算，通過風(fēng)洞試驗(yàn)可提高冷卻塔空腔區(qū)范圍確定的準(zhǔn)確度[11]。文中采用風(fēng)洞測量湍流度的方法來確定“煙塔合一”冷卻塔空腔區(qū)的范圍，并分析影響空腔區(qū)范圍的主要因素，為科學(xué)設(shè)置“煙塔合一”環(huán)境防護(hù)距離提供理論支撐。

1 物理風(fēng)洞的試驗(yàn)理論及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司環(huán)境風(fēng)洞為雙實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞，主要技術(shù)性能為：第一實(shí)驗(yàn)段寬3.5 m、高2.2 m、長20 m，風(fēng)速調(diào)整范圍為0.1～6.4 m/s；第二實(shí)驗(yàn)段寬1.5 m、高1.2 m、長20 m，風(fēng)速調(diào)整范圍為0.5～25 m/s。本次試驗(yàn)在第一試驗(yàn)段中進(jìn)行。

為獲得空腔區(qū)的三維尺寸，需要測量空腔區(qū)的垂直范圍（主要測量空腔區(qū)高度和下風(fēng)向長度）和水平范圍（主要測量下風(fēng)向長度和寬度）。原型流動中，環(huán)境風(fēng)速為1 m/s，按冷卻塔的代表性直徑120 m 計算，其流動雷諾數(shù)達(dá)到8×106，將會產(chǎn)生穩(wěn)定的湍流卡門渦街。為了使模擬實(shí)驗(yàn)也能產(chǎn)生穩(wěn)定的卡門渦街，應(yīng)使模擬試驗(yàn)的雷諾數(shù)在300～3×105范圍內(nèi)[12]（約相當(dāng)于模擬試驗(yàn)的流速在0.045～45 m/s 之間）。同時為了使模擬的空腔區(qū)更接近實(shí)際，采用塔頂處模擬試驗(yàn)的風(fēng)速為2.4 m/s。

1.2 試驗(yàn)相似理論

1.2.1 幾何相似

幾何相似主要指試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵匆欢ǖ膸缀慰s比制作和布置，許多對流動有重要影響的細(xì)節(jié)也必須一定程度上在模型中再現(xiàn)。在原型流中，尺寸小于粗糙度長度的細(xì)節(jié)，不必在模型中再現(xiàn)；與粗糙度長度相同等級的幾何形狀也不必精確地再現(xiàn)，但要用等價粗糙度代替；尺寸大于粗糙度長度的幾何形狀就要精確地再現(xiàn)。有時還要強(qiáng)化粗糙度，以使流動成為充分發(fā)展的湍流。幾何相似除了要求將現(xiàn)場地形地物按幾何縮比制作模型外，還要求模擬邊界層的粗糙度長度z0m與其對應(yīng)的真實(shí)大氣邊界層中粗糙度長度z0p之比等于幾何尺度比L，模擬試驗(yàn)中采用的幾何比通常為1∶400～1∶600。

1.2.2 運(yùn)動相似

運(yùn)動相似是指要再現(xiàn)大氣邊界層中的風(fēng)速、湍流結(jié)構(gòu)分布。模擬近地層，選擇對數(shù)分布的風(fēng)廓線，因?yàn)樵诮貙又?，風(fēng)速在垂直方向的分布符合下述形式（中性穩(wěn)定度時）：

如果模擬整個邊界層，通常選擇指數(shù)風(fēng)廓線，也就是風(fēng)速隨高度的變化符合下述形式：

式中：u10為參考高度z10上的平均風(fēng)速，m/s；p為風(fēng)廓線指數(shù)，與大氣邊界層的穩(wěn)定度有關(guān)。

通?；痣姀S的煙囪、冷卻塔以及主要設(shè)備的廠房都比較高，必須模擬整個大氣邊界層，因此通常都選擇指數(shù)風(fēng)廓線進(jìn)行模擬。

1.3 測量方法

1.3.1 湍流度的測量

使用IFA300 智能流動分析儀測量風(fēng)速廓線和湍流強(qiáng)度，測量探頭為直徑20 μm、長6 mm 鍍鉑膜的玻璃絲，對流場基本沒有干擾，響應(yīng)頻率可達(dá)40 kHz以上，非常適用于測量流動的湍流特性。相關(guān)試驗(yàn)單次采樣時間為8 s，采樣頻率為1000 Hz。為了減少時間尺度大于8 s 的脈動對湍流測量數(shù)據(jù)的影響，對每一個采樣點(diǎn)，重復(fù)采樣12 次。采樣后計算各輪各網(wǎng)格點(diǎn)上的湍流強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

計算每個網(wǎng)格點(diǎn)上每個樣本的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度：

計算每個網(wǎng)格點(diǎn)上平均湍流強(qiáng)度和其標(biāo)準(zhǔn)差：

1.3.2 空腔區(qū)的判定方法

由于空腔區(qū)是流動在物體表面分離后形成的，其內(nèi)部有大量分離渦旋和回流，通常空腔區(qū)中的湍流強(qiáng)度明顯大于背景流動的湍流強(qiáng)度。據(jù)此，可以測量物體下風(fēng)向的湍流強(qiáng)度，以湍流強(qiáng)度相對于背景湍流突然增大的位置來確定空腔區(qū)的邊界。在環(huán)境影響評價中，通常取湍流度大于背景值加上2 倍標(biāo)準(zhǔn)差[14]。

1.3.3 坐標(biāo)軸定義

x 軸正方指向下風(fēng)向，z 軸垂直向上，y 軸垂直于風(fēng)向，與x、z 軸組成右手坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在下游塔底邊背風(fēng)沿中點(diǎn)。

1.3.4 研究對象

對10 個火電廠“煙塔合一”進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)分析其空腔區(qū)的范圍，相關(guān)參數(shù)見表1，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1 所示。

表1 試驗(yàn)的“煙塔合一”火電廠冷卻塔參數(shù)

圖1 不同塔型、不同下墊面類型煙塔現(xiàn)場測試圖

2 結(jié)果與分析

2.1 下墊面條件對空腔區(qū)范圍的影響

以A 和B 電廠為例，分析下墊面條件對空腔區(qū)范圍的影響，其中A 電廠位于平坦地形，B 電廠為山地地形，兩電廠冷卻塔的高度比較接近（如圖1a、b所示）。根據(jù)冷卻塔后湍流度測量數(shù)據(jù)（表2、表3），分析冷卻塔空腔區(qū)的范圍。

1）空腔區(qū)高度。在緊鄰塔下游的x=0 處，湍流發(fā)展比較旺盛，最高值可達(dá)43.4%，空腔區(qū)的高度邊界較明顯，高度可至380 mm（相當(dāng)于1.2 倍塔高）。下風(fēng)向距離315 mm（相當(dāng)于1 倍塔高）處，湍流強(qiáng)度略有降低，但空腔區(qū)的高度沒有變化，高度仍保持在380 mm。下風(fēng)向距離630 mm（相當(dāng)于2 倍塔高）處，空腔區(qū)高度降低為250 mm，相當(dāng)于原型高度150 m。下風(fēng)向距離1260 mm（相當(dāng)于4 倍塔高）處，湍流度為背景湍流度加上2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍內(nèi)，空腔區(qū)消失。

表2 下風(fēng)向不同距離處、不同高度的平均湍流度（模型） %

表3 2/3 塔高處冷卻塔下風(fēng)向不同距離處水平寬度y 方向的平均湍流度 %

2）空腔區(qū)長度。在模型高度110 mm 處，空腔區(qū)的長度為700～800 mm；在半塔高157.5 mm 處，空腔區(qū)長度最遠(yuǎn)可延伸到700 mm（相當(dāng)于2.2 倍塔高）；在模型高度250 mm 處，空腔區(qū)的長度約為630 mm；在模型高度340 mm 處，空腔區(qū)的長度為450 mm。

3）空腔區(qū)的寬度。2/3 塔高下風(fēng)向不同距離處，水平方向（y 方向）平均湍流度變化見表3。由于A電廠冷卻塔旁有兩個體積較大的煤倉，若測試位置較低，煤倉會影響空腔區(qū)寬度的測試，因此選擇在2/3塔高處進(jìn)行測量，以消除煤倉對空腔區(qū)寬度測試的影響。在x=0 mm 處，空腔區(qū)的模型寬度介于-140 mm與+160 mm 之間，此處湍流發(fā)展比較旺盛，最高湍流度達(dá)到44%，為整個空腔區(qū)內(nèi)最高水平；在x=315 mm（相當(dāng)于1 倍塔高）處，湍流強(qiáng)度有所降低，但空腔區(qū)的寬度略有增加，正負(fù)方向模型寬度分別達(dá)到-180 mm 與+180 mm；在x=1260 mm，下風(fēng)向距離相當(dāng)于4 倍塔高處，湍流強(qiáng)度已降到背景湍流度加標(biāo)準(zhǔn)差2 倍范圍內(nèi)，空腔區(qū)消失?？涨粎^(qū)最寬處位于下風(fēng)向189 m 處，介于±108 m 之間，根據(jù)空腔區(qū)長度的測量結(jié)果，原型高度 126 m 處，空腔區(qū)的長度為400 m。

根據(jù)測試結(jié)果，確定A、B 電廠空腔區(qū)的范圍（見表4）。山區(qū)地形冷卻塔后的空腔區(qū)長度明顯低于平坦地形，主要是因?yàn)槔鋮s塔位于山脈背風(fēng)側(cè)形成的大空腔區(qū)內(nèi)，背景湍流強(qiáng)度較高，冷卻塔后形成的卡門渦與背景湍流能量交換強(qiáng)烈，卡門渦衰減較快，在很短的距離內(nèi)就與背景湍渦融合了。由于山脈的作用，使得氣流發(fā)生爬坡及繞流作用，山體本身就會產(chǎn)生一定的空腔區(qū)，山體背風(fēng)側(cè)氣流的不均勻性對廠區(qū)冷卻塔背風(fēng)側(cè)氣流的干擾作用較大，對冷卻塔背風(fēng)側(cè)氣流湍流有一定的削弱作用。

表4 A、B 電廠空腔區(qū)的尺寸 m

圖2 原型空間內(nèi)冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍

2.2 冷卻塔塔型對空腔區(qū)范圍的影響

以C 和D 電廠為例，分析不同塔型對空腔區(qū)范圍的影響。其中 C 電廠冷卻塔屬于典型的瘦高型，塔的高度和直徑的比值為2.98；D 電廠冷卻塔屬于典型的短粗型，高度與直徑的比例為1.04（見圖1c、d）。采用同樣的分析方法確定C、D 電廠空腔區(qū)的尺寸（見表5），C 電廠空腔區(qū)長度為塔高的2.15 倍，而D 電廠空腔區(qū)長度為塔高的3.15倍。由于D 電廠出口直徑和底部直徑較大，造成冷 卻塔后空腔區(qū)寬度明顯大于C 電廠，空腔區(qū)內(nèi)湍渦衰減較慢，同時顯著增大空腔區(qū)的長度范圍（如圖3 所示）。因此，選用高寬比較大的塔型可降低空腔區(qū)范圍。

2.3 空腔區(qū)范圍與冷卻塔尺寸的關(guān)系

采用上述研究方法對E—J 電廠進(jìn)行測試（見表6），由于塔型的差異造成空腔區(qū)的尺寸有較大變化，其長度從1.83～3 倍塔高，高度從1.17～1.39 倍塔高。

表5 C、D 電廠空腔區(qū)的尺寸 m

圖3 C、D 電廠冷卻塔空腔區(qū)范圍

表6 試驗(yàn)的“煙塔合一”火電廠空腔區(qū)范圍

3 結(jié)論

1）“煙塔合一”冷卻塔的空腔區(qū)范圍對科學(xué)設(shè)置環(huán)境防護(hù)距離有重要意義，風(fēng)洞試驗(yàn)表明的空腔區(qū)范圍基本在3 倍塔高范圍內(nèi)。

2）空腔區(qū)范圍主要受冷卻塔塔型影響，空腔區(qū)寬度和高度與冷卻塔的直徑/高度比有關(guān)。一般情況下，同樣高的冷卻塔，其直徑越大，空腔區(qū)的長度也越長。塔的曲線形狀也會在一定程度上影響空腔區(qū)的長度。

3）空腔區(qū)范圍與冷卻塔附近的地形密切相關(guān)，背景湍流強(qiáng)度大會造成脫體渦更快地耗散，從而使空腔區(qū)長度變短，但冷卻塔附近有其他大型物體的湍渦影響時會激發(fā)脫體渦增強(qiáng)，從而使空腔區(qū)變長。