间接空冷塔内外流动和传热性能的数值模拟研究

向同琼，田松峰

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

间接空冷系统由于其换热端差小、煤耗率低(相对于直冷)、节水等优点而广泛应用于富煤缺水地区的火力发电机组，其由混合式或表面式凝汽器、空冷散热器和自然通风冷却塔组成。空冷系统的关键问题是夏季安全度夏和保证汽轮机满发。空冷塔内外空气的流动和传热性能受环境风影响较大，因此，研究环境风速变化对空冷塔性能的影响规律对于实时运行调控和提高机组真空具有重要意义。

针对环境风对空冷塔性能的影响，国内外学者进行了诸多研究。A.F.du Preez和D.G.Kriiger[1，2]指出，侧风对空冷塔的影响与风速、空冷塔结构、压力损失系数及散热器的具体布置情况等有关。D.D.Derkson[3]通过风洞实验模拟，从外部流动形式、压力特性、入口流率等方面研究了侧风对空冷塔的影响。TANG.D.M[4]通过数值模拟研究了侧风对海勒式间接空冷系统空冷塔内外的流场和温度分布的影响。翟志强和符松[5，6]通过风洞实验细致研究了横向风对空冷塔空气流场的影响。魏庆鼎[7]通过风洞模型试验和现场试验研究了侧风对空冷塔冷却效率不利影响的机理，结果表明，有风时空冷塔的冷却效率会大幅降低，塔内流场失去了轴对称特征，在塔出口会产生漩涡，使环境冷空气倒灌入塔内，降低了气流的浮升驱动力。

本文对某2×300 MW发电机组的SCAL间接空冷系统 (表面式凝汽器和钢管钢翅片间接空冷散热器在空冷塔四周垂直布置)的空冷塔流动和传热性能进行了数值模拟。

1 数值计算方法

1.1 物理模型

某汽轮机冷却系统采用SCAL间接空冷系统，在空冷塔四周垂直布置的间接空冷散热器是由椭圆钢管绕制钢翅片组成。空冷塔基本参数如表1所示。计算区域选取的是以空冷塔中心线为中心，边长为500 m的立方体。为了使所研究的问题得到简化，未考虑空冷塔X型柱、塔内高位膨胀水箱、系统管线、照明等辅助设备，散热器简化为多孔介质模型。整体计算模型及边界条件如图1所示。

利用gambit软件生成网格。为提高计算精度和减少网格数目，将计算域分成3个区分别画网格。空冷散热器采用六面体网格，空冷塔采用四面体网格[8]。由于所计算区域的大空间与散热器的尺寸相差甚大，因此采用尺寸函数法对大空间进行网格划分，并通过网格无关性检查，最终确定总的网格数约为145万。

表1 空冷塔基本参数Tab.1 Basic parameters of air cooling tower

图1 间接空冷塔的计算模型及边界条件Fig.1 Calculation model and boundary conditions of indirect air-cooling tower

1.2 数学模型

描述空冷塔内外空气流动和换热的连续性方程、动量方程、能量方程，以及描述空冷塔钢筋混凝土壁面导热的导热微分方程，可以统一写成以下通用形式[9]:

式中:ρ为密度，kg/m3;t为时间，s;φ为通用变量，可以代表u，v，ω，T等求解变量;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项;u为速度矢量，m/s。动量方程采用Realizable κ-ε双方程湍流模型，并考虑由于温度变化而导致的空气密度的变化和浮升力的影响，采用Boussinesq近似;压力离散采用Body Force Weighted格式，其余采用一阶离散格式。

多孔介质模型[10]将流经物理模型空间的流动阻力看作是动量控制方程的源项，包括粘性损失和惯性损失，用下式描述:

式中:Si为第i(x，y，z)个动量方程的源项;D和C为系数矩阵;μ为动力粘度;ρ为流体密度;vj为j方向的速度;vmag为速度大小。

对于各向同性介质，动量源项可以简化为如下形式:

式中:α为渗透率;C2为惯性阻力系数。根据文献[11]，对空冷散热器的翅片管进行数值模拟，得到空冷散热器的进出口压差与迎风面风速的关系为:

由此可计算出多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为1 556 456和1.708 4[12]。根据空冷散热器的结构参数，可以计算得出多孔介质孔隙率为0.8。

在计算域的边界上，迎风面为速度入口条件，其他计算区域的边界取为压力出口。入口速度通常选用幂指数风速廓线公式计算环境风速。鉴于一般气象站观测的都是10 m高处的风速，则迎风面上的风速分布可用下式表示[13]:

式中:u10表示距地面10 m高处的风速;y为所求点的高度。空冷塔壁、地面和空冷散热器上下表面为无滑移壁面 (边界条件)，设为绝热。空冷散热器的内外表面及塔出口面均为计算区域的内部面，无需设定条件。

2 计算结果及分析

某发电厂地处中纬度地带，属半干旱暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，昼夜温差大。根据气象站的资料，多年年平均气压为98.94 kPa，多年平均相对湿度为63%，多年年平均风速为1.9 m/s。该间接空冷系统的性能保证参数 (即考核工况)为:当大气温度为34.5℃，空冷塔10 m标高处的平均风速不大于4 m/s时，两台汽轮机组在TRL工况下空冷塔的设计散热量为1 010 MW，空冷塔通风量约为44 900 m3/s。

通过模拟计算得到:当大气温度为34.5℃，空冷塔10 m标高处的平均风速为4 m/s时，空冷塔的通风量和空冷散热器的散热量分别为考核工况的102.6%和98.9%。模拟结果表明，数值模型是正确可信的。针对不同环境气温 (26.2℃，38℃，42.5℃)，不同环境风速 (4 m/s，5 m/s，6 m/s，7 m/s，8 m/s，9 m/s)进行模拟计算，得到不同环境气温下空冷塔通风量和散热器的散热量随环境风速的变化规律，如图2、3所示。

图2 不同环境气温下空冷塔通风量随环境风速的变化Fig.2 Flow rate of the cooling tower versus wind speed in different ambient temperature

从图2可以看出，当大气温度一定时，空冷塔的通风量随着环境风速的增加而降低。风速低于6 m/s时，空冷塔通风量随着气温的升高而减小;当风速高于6 m/s时，空冷塔通风量随着气温的升高而增大。从图3可以看出，当大气温度一定时，空冷散热器散热量随着环境风速的增加而降低。风速低于6 m/s时，空冷散热器散热量随着气温的升高而增大，但相差不多;当风速高于6 m/s时，空冷散热器散热量随着气温的升高而增大，此时高温处于有利状况。

图3 不同环境气温下空冷散热器散热量随环境风速的变化Fig.3 Heat rejection of air-cooled radiator versus wind speed in different ambient temperature

为了进一步分析空冷塔四周受环境风的影响程度，现将空冷塔划分为4个区域:沿主导风向逆时针旋转，(-45°，45°)为迎风区域 (W区);(-135°， -45°)和 (45°，135°)为塔侧区域(T区)，分为左、右两侧区域 (迎着来流方向)，分别标记为T1和Tr区;(135°，-135°)为背风区域 (L区)，如图4所示。

图4 空冷塔划分区域示意图Fig.4 Air cooling tower's regionalism area sketch map

经过计算，26.2℃静风时，W区通风量为16 277.798 kg/s，T1区通风量为 16 273.887 kg/s，Tr区通风量为16 273.869 kg/s，L区通风量为16 276.552 kg/s:可见无环境风影响时，空冷塔四周进风是均匀的。下面分别计算不同环境气温、不同环境风速下4个区域的平均通风量。通风量随环境风速的变化曲线，如图5～7所示。

图5 26.2℃时各区域通风量随环境风速的变化Fig.5 Air flow rate of each region versus wind speed at 26.2℃

图6 38℃时各区域通风量随环境风速的变化Fig.6 Air flow rate of each region versus wind speed at 38℃

图7 42.5℃时各区域通风量随环境风速的变化Fig.7 Air flow rate of each region versus wind speed at 42.5℃

从图5～7可以看出，随着环境风速的增加，W区通风量呈线性增加，换热增强，并且W区通风量随环境温度的降低而增加，但相差不大;L区和T区通风量减小，换热减弱。风速为4～7 m/s时，T区通风量低于L区通风量，到8 m/s通风量几乎持平，随后L区通风量下降较快并且低于T区通风量，风速为9 m/s时，L区通风量为负值，即此时塔内出现了“穿堂风”现象;风速低于6 m/s时，L区通风量缓慢减小，6 m/s以后L区通风量骤减至负值，并且气温越低减小得越多;T区通风量在7 m/s风速以内减小较快，7～9 m/s时，Tr区通风量缓慢减小，而T1区会出现先增后减的趋势，其中以38℃变化最为明显。

图8 26.2℃时，Z=0 m截面的速度矢量图Fig.8 The velocity vector diagram on Z=0 m cross section at 26.2℃

图9 26.2℃时，Y=15 m截面的速度矢量图Fig.9 Velocity vector diagram on Y=15 m cross section at 26.2℃

图8、图9分别为26.2℃时，Z=0 m截面和Y=15 m截面的速度矢量图。从图8可以看出，有环境风时，塔内进风失去了轴对称特征。W区进风速度增大因而通风量增加，压迫L区的空气流入使之减小，从而使上升气流中心向塔后壁推移;同时，在空冷塔一定高度内，靠近壁面处的空气流速较低，出现负压回流现象，形成局部流动死区，缩小了塔的有效流通面积。随环境风速增加，该回流区增大，使得上升气流中心进一步向后壁挤压，并且受塔外迎面风的作用在塔顶上方形成了一个“风帽”，使空冷塔出流偏折向下游，抑制了塔顶的空气出流，降低了塔的抽吸能力，大大减少了空冷塔的总通风量，换热性能大幅度减弱。

从图9可以明显看出，在塔底部W区，随着环境风速的增加，通风量持续增加，散热增强。对于L区，由于来流遇到空冷塔形成“圆柱绕流”运动，两股绕流气流在空冷塔L区入口相撞形成涡流，阻碍L区进风以致通风量减小;环境风强度的增大将导致漩涡的增强，进风阻力增加，L区通风量持续下降，换热减弱。到9 m/s时，L区没有进风，并且经过W区的热风气流直接从L区流出，形成“穿堂风”，与塔外绕流汇合形成大范围的二次扰流。此时经过L区散热器的风量增加以及二次流的扰动增强了换热，散热量稍有增加。

低风速时，W区和L区两股强度不同的气流，在塔内T区相遇后卷起一对对称的逆向漩涡，并在T区和L区的交界处诱导出一对二次漩涡，增加了T区进风阻力;塔外“圆柱扰流”运动使得T区气流切向速度很大，进气压力低以致该区域通风量减小，换热减弱。随着环境风速增大，塔底部产生的漩涡回卷流动加强，范围加大，一直上升影响到塔中部，削弱了塔内的通畅性，使进入T区的空气量和该区散热量锐减。

数值模拟的计算结果是基于来流稳定，稳态传热的假设得到的，与实际情况存在一定差异。自然状态下，一定的环境风速范围内，风向具有随机性的特点;因此数值计算结果还需要风洞试验和现场实测数据的验证[14]。

3 结论

本文对间接空冷散热器空冷塔内外空气的流场和温度场进行数值模拟，并将空冷塔划分为4个区域，研究了环境温度、环境风速对空冷塔各区域的通风量和散热量的影响。

(1)风速低于6 m/s时，空冷塔通风量随着气温的升高而减小，散热量相差不大;当风速高于6 m/s时，通风量和散热量均随气温的升高而增加，此时高温处于有利状况。

(2)由于环境风的存在，塔内上升气流中心向塔后壁推移，并在塔顶形成一个“风帽”，使得空冷塔出口空气流量减小。

(3)随着环境风速的增加，W区入口风速增大因而通风量呈线性增加，换热增强。

(4)随着环境风速增加，由于塔外气流切向速度增大和塔内纵向与横向漩涡的作用，导致T区通风量减小，换热减弱。

(5)随着环境风速的增加，由于“圆柱绕流”运动形成漩涡的作用导致L区通风量减小，并且到9 m/s风速时，塔内形成“穿堂风”，使L区通风量为负值。但由于经过L区散热器的风量增加以及二次流的扰动增强了换热，此时L区散热量稍有增加。

[1]Du Preez A F，Kriiger D G.Experimental investigation into the influence of cross-winds on the performance of dry-cooling towers[J].Research and Development Journal，South African Institution of Mechanical Engineers，1993，9(2):1-11.

[2]Du Preez A F.The influence of cross-wind on the performance of natural draft dry-cooling towers[D].Stellenbosch:University of Stellenbosch，1992.

[3]Derkson D D，Bender T J，Bergstrom D J，et al，A study on the effects of wind on the air intake flow rate of a cooling tower:Part 1.Wind tunnel study[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1996，64(1):47-59.

[4]Su M D，Tang G F，Fu S.Numerical simulation of fluid flow and thermal performance of a dry-cooling tower under cross wind condition[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic，1999，79(3):289-306.

[5]翟志强，唐革风，符松，等.横向风对自然通风干式冷却塔运行性能影响的实验与数值研究[J].热力发电，1997，(3):3-7.

[6]翟志强，朱克勤，符松.横向风对自然通风干式冷却塔空气流场影响的模型实验研究[J].实验力学，1997，12(2):306-311.Zhai Zhiqiang，Zhu Keqin，Fu Song.Model experiment for the influence of cross-wind on the air flow field in natural draft dry-cooling tower[J].Journal of Experimental Mechanics，1997，12(2):306-311.

[7]Wei Q D，Zhang B Y，Liu K Q，et al.A study of the unfavorable effects of wind on the cooling efficiency of dry cooling towers[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，54:633-643.

[8]王建平，吴鹏，王宏明，等.600 MW直接空冷凝汽器加装下挡风墙的数值研究[J].电力科学与工程，2012，28(3):51-55.Wang Jianping，Wu Peng，Wang Hongming，et al.Numerical simulation research of fixing lower windbreak upon aircooled island of 600 MW direct air-cooled unit[J].Electric Power Science and Engineering，2012，28(3):51-55.

[9]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社，2001.

[10]杨立军，杜小泽，杨勇平.间接空冷系统空冷散热器运行特性的数值模拟[J].动力工程，2008，28(4):594-599.Yang Lijun，Du Xiaoze，Yang Yongping.Numerical simulation of operation characteristics for air-cooled radiator in indirect air cooling system[J].Journal of Power Engineering，2008，28(4):594-599.

[11]杨立军，贾思宁，卜永东，等.电站间冷系统空冷散热器翅片管束流动传热性能的数值研究[J].中国电机工程学报，2012，32(32):50-56.Yang Lijun，Jia Sining，Bu Yongdong，et al.Numerical study on flow and heat transfer characteristics of finned tube bundles for air-cooled heat exchangers of indirect dry cooling systems in power plants[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(32):50-56.

[12]付万兵.直接空冷凝汽器单元内三维流场的数值模拟[J].电力科学与工程，2013，29(1):63-69.Fu Wanbing.Numerical analysis of 3-D flow characteristics of direct air cooled condensers[J].Electric Power Science and Engineering，2013，29(1):63-69.

[13]李建波，周兰欣，吴琼.直接空冷机组空冷岛加装曲面下挡风墙的数值模拟[J].电力科学与工程，2011，27(2):58-63.Li Jianbo，Zhou Lanxin，Wu Qiong.Numerical simulation research of fixing lower windbreak of surface upon air-cooled island of a direct air-cooled unit[J].Electric Power Science and Engineering，2011，27(2):58-63.

[14]姚泽良，白国良，李晓文，等.大型火电厂空冷凝汽器支架结构风洞数值模拟[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版)，2009，41(6):834-840.Yao Zeliang，Bai Guoliang，Li Xiaowen，et al.Wind tunnel numerical simulation on air cooled support structure in large thermal power plants[J].Journal of Xi'an University of Architecture＆Technology(Natural Science Edition)，2009，41(6):834-840.