專利名稱：環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法
技術領域：
本發明涉及冷卻塔的仿真設計技術，特別是涉及環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法。
背景技術：
自然通風冷卻塔是內陸電廠中最為普遍的換熱裝置，隨著火電機組容量的提高以及內陸核電的發展，需要采用超大型自然通風冷卻塔來滿足機組對換熱裝置越來越高的要求。內陸核電站所用濕式冷卻塔的淋水面積達到2X IO4IX 104，其設計尺寸已發展到塔高近220m、塔底直徑近185m，這遠遠大于常規冷卻塔的設計尺寸。對于自然通風自然通風冷卻塔，在環境側風的影響下，冷卻塔軸對稱的空氣動力場遭到破壞，塔內冷源空氣也不再呈周向均勻分布。塔內空氣流動的三維性，必然影響到塔內傳熱傳質區各區傳熱傳質強度，造成塔內傳熱傳質強度的非線性分布，并進一步影響到冷卻塔總體傳熱傳質性能。環境側風雖然會強化塔內迎風區域的傳熱傳質效果，但對其他區域的熱力性能卻產生不利影響。
冷卻塔在運行過程中不可避免地受到環境風的影響，環境風對冷卻塔的影響主要包括對風荷載的影響以及熱力性能的影響。環境風對冷卻塔風荷載的影響由于出現了結構失事事故而受到了較多的關注。相比較而言，環境風對冷卻塔熱力性能的影響研究相對較少，其主要原因在于冷卻塔熱力性能的計算涉及到多相流傳熱傳質等流體力學計算難題，構建冷卻塔三維熱力性能計算模型難度較大。在現有技術當中，是通過熱態模型實驗分析環境風對自然通風冷卻塔熱力計算性能影響，熱態模型需要搭建試驗臺，其建設需要耗費較多的人力物力，試驗臺的運行也需要較大的電力耗費，代價較大。同時，物理模型不可避免存在比尺效應、人為測量誤差和系統誤差。
發明內容
基于此，有必要針對上述問題，提供一種環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，能夠預測超大型自然通風冷卻塔在環境風作用下空氣動力行為以及熱力性能，為改善超大型自然通風冷卻塔的空氣流態以及熱力性能提供科學依據。一種環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，包括根據超大型冷卻塔的工藝尺寸，建立所述超大型冷卻塔的三維網格模型，其中，所述工藝尺寸包括零米直徑、出口直徑、喉部直徑、喉部高度、塔高；根據預設的環境風邊界條件，設定環境氣象程序，所述環境風邊界條件主要包括風速梯度、風溫梯度、汽水分布以及湍流；計算所述冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數，將參數導入所述環境氣象程序；在計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網格模型，編譯所述環境氣象程序；指定水溫標量的計算區域為傳熱傳質區，設定控制參數；對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果。
實施本發明，具有如下有益效果本發明技術提供了一種適用于的復雜大氣邊界層湍流脈動風影響下，超大型自然通風冷卻塔熱力性能預測的數學模型方法，采用該方法比物理模型試驗能有效節省試驗費用。三維數學模型能夠準確描述環境風的復雜特性，如風速梯度、風溫梯度、水汽分布梯度等，而這些都是物理模型試驗難以實現的。此外采用本發明的技術，可以獲得塔內外的空氣流場分布，可以獲得出塔水溫的分布，而物理模型試驗只能獲得離散點上的空氣流速和水溫值。
圖I為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的流程圖；圖2為本發明實施例的側風風速對出塔水溫的影響示意圖；圖3為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施 例流程圖；圖4為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施例示意圖之一；圖5為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施例示意圖之二；圖6為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施例示意圖之三；圖7為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施例示意圖之四。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。圖I為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的流程圖，包括SlOl :根據超大型冷卻塔的工藝尺寸，建立所述超大型冷卻塔的三維網格模型，其中，所述工藝尺寸包括零米直徑、出口直徑、喉部直徑、喉部高度、塔高；S102 :根據預設的環境風邊界條件，設定環境氣象程序，所述環境風邊界條件主要包括風速梯度、風溫梯度、汽水分布以及湍流；S103 :計算所述冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數，將參數導入所述環境氣象程序；S104 :在計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網格模型，編譯所述環境氣象程序；S105 :指定水溫標量的計算區域為傳熱傳質區，設定控制參數；對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果。近地面大氣邊界層環境風由于受不規則地表、氣溫差以及擾動的影響，其流速分布比較復雜，往往會存在梯度和切變等特點。因而若要準確給定作為超大型自然通風冷卻塔熱力性能計算的邊界條件，仿真模型必須考慮靈活的環境風分布及模擬方法。大氣邊界層空氣流動流動，其風速分布、風溫分布和水汽含量均存在較大梯度，并具有明顯的湍流脈動特征。傳統的物理模型試驗難以實現的上述技術仿真。本發明利用CFD軟件的環境氣象程序來對環境風速、風溫、水汽含量以及湍流場進行描述，能夠很好地解決這一技術問題。需要補充說明的是，本專利采用有限體積法(Finite Volume Method,FVM)來對計算域和控制方程進行離散。在有限容積法中將所計算的區域劃分成一系列控制體積，每個控制體積都有一個節點作代表。通過將守恒型的控制方程對控制體積做積分來導出離散方程。在導出過程中，需要對界面上的被求函數本身及其一階導數的構成做出假定，這種構成的方式就是有限體積法的離散格式。用有限體積法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數的物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數值計算中應用最為廣泛的一種方法。本發明技術提供了一種適用于的復雜大氣邊界層湍流脈動風影響下，超大型自然通風冷卻塔熱力性能預測的數學模型方法，采用該方法比物理模型試驗能有效節省試驗費 用。本發明的技術，可以獲得塔內外的空氣流場分布，可以獲得出塔水溫的分布。如圖2所示，通過三維數值模擬我們發現環境風對冷卻塔出塔水溫的影響規律，根據所述仿真計算結果，獲取冷卻塔的空氣流場、溫度場、組分場以及出塔水溫。圖2為本發明實施例的側風風速對出塔水溫的影響示意圖。在環境側風風速較小的時候，隨著風速的增加，出塔水溫也隨之增加；而當側風風速超過一定值以后，隨著風速的增加，出塔水溫反而下降。通過三維數值模擬，我們發現環境側風對超大型自然通風冷卻塔的影響的兩個階段，即傳熱惡化階段和傳熱強化階段，對于不同的超大型自然通風冷卻塔的熱力性能，存在側風風速的一個臨界點，圖3為本發明環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法的實施例流程圖。與圖I相比，圖3為具體實施例的流程圖。S201 :根據超大型冷卻塔的工藝尺寸，建立所述超大型冷卻塔的三維網格模型，其中，所述工藝尺寸包括零米直徑、出口直徑、喉部直徑、喉部高度、塔高；S202 :根據預設的環境風邊界條件，設定環境氣象程序，所述環境風邊界條件主要包括風速梯度、風溫梯度、汽水分布以及湍流；S203 :依據熱力學等相關公式和冷卻塔所處的環境氣象條件，計算所述超大型冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數，將參數導入ANSYS FLUENT軟件的所述環境氣象程序；S204 :在ANSYS FLUENT軟件中讀入所述三維網格模型，編譯所述環境氣象程序；S205:指定傳熱傳質區的進塔水溫、淋水密度、雨區的雨滴初始速度以及淋水區雨滴的初始速度為計算域；S206 :設置大氣壓、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)參數；S207 :設置湍流模型，選擇標準k- e模型、標準wall函數；S208 :設置流體屬性為水蒸氣和空氣的混合物，指定水蒸氣和空氣的比熱；S209 :在邊界條件上給定流速、溫度和組分的值；S210 :設置差分格式、松弛因子；S211 :對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果。
根據所述仿真計算結果，獲取冷卻塔的空氣流場、溫度場、組分場以及出塔水溫。依據熱力學等相關公式和冷卻塔所處的環境氣象條件，計算所述超大型冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數。所述熱力學相關公式包括如下的控制方程I)雷諾時均 Navier-Stokes 方程(Reynold-averaged Navier-Stokes，RANS):
權利要求
1.一種環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，包括 根據超大型冷卻塔的工藝尺寸，建立所述超大型冷卻塔的三維網格模型，其中，所述工藝尺寸包括零米直徑、出口直徑、喉部直徑、喉部高度、塔高； 根據預設的環境風邊界條件，設定環境氣象程序，所述環境風邊界條件主要包括風速梯度、風溫梯度、汽水分布以及湍流； 計算所述冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數，將參數導入所述環境氣象程序； 在計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網格模型,編譯所述環境氣象程序； 指定水溫標量的計算區域為傳熱傳質區，設定控制參數；對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果。
2.根據權利要求I所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于 所述計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件為 ANSYS FLUENT軟件。
3.根據權利要求I所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，所述預設的環境氣象程序包括 冷卻水運動程序、基于Merkel模型的汽水兩相間傳熱傳質程序、汽水兩相的相互作用程序。
4.根據權利要求I至3任一項所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設定控制參數的步驟，包括 設置大氣壓、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)參數。
5.根據權利要求4所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設定控制參數的步驟，還包括 設置湍流模型，選擇標準k- e模型、標準wall函數。
6.根據權利要求5所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設定控制參數的步驟，還包括 設置流體屬性為水蒸氣和空氣的混合物，指定水蒸氣和空氣的比熱。
7.根據權利要求3所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設定控制參數的步驟，還包括 在邊界條件上給定流速、溫度和組分的值。
8.根據權利要求6或7所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設定控制參數的步驟，還包括 設置差分格式、松弛因子。
9.根據權利要求I至8任一項所述的環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果的步驟之后，還包括 根據所述仿真計算結果，獲取冷卻塔的空氣流場、溫度場、組分場以及出塔水溫。
全文摘要
本發明公開了環境風對超大型自然通風冷卻塔熱力性能影響的計算方法，包括根據超大型冷卻塔的工藝尺寸，建立所述超大型冷卻塔的三維網格模型，根據預設的環境風邊界條件，設定環境氣象程序；計算所述冷卻塔的環境空氣參數和冷卻水參數，將參數導入所述環境氣象程序；在計算流體力學軟件中讀入所述網格模型，編譯所述環境氣象程序；指定水溫標量的計算區域為傳熱傳質區，設定控制參數；對所述計算域進行初始化，采用有限體積法進行計算得到仿真計算結果。采用本發明，可以預測超大型自然通風冷卻塔在環境風作用下空氣動力行為以及熱力性能，為改善超大型自然通風冷卻塔的空氣流態以及熱力性能提供科學依據。
文檔編號G06F17/50GK102831276SQ20121032144
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者喬旭斌, 朱嵩, 龍國慶, 李波, 楊志, 湯東升, 羅必雄, 彭雪平, 匡俊, 毛衛兵 申請人:中國能源建設集團廣東省電力設計研究院