專利名稱：環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷卻塔的仿真設(shè)計技術(shù)，特別是涉及環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法。
背景技術(shù)：
自然通風(fēng)冷卻塔是內(nèi)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(nèi)陸核電的發(fā)展，需要采用超大型自然通風(fēng)冷卻塔來滿足機組對換熱裝置越來越高的要求。內(nèi)陸核電站所用濕式冷卻塔的淋水面積達到2X IO4IX 104，其設(shè)計尺寸已發(fā)展到塔高近220m、塔底直徑近185m，這遠遠大于常規(guī)冷卻塔的設(shè)計尺寸。對于自然通風(fēng)自然通風(fēng)冷卻塔，在環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響下，冷卻塔軸對稱的空氣動力場遭到破壞，塔內(nèi)冷源空氣也不再呈周向均勻分布。塔內(nèi)空氣流動的三維性，必然影響到塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)區(qū)各區(qū)傳熱傳質(zhì)強度，造成塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)強度的非線性分布，并進一步影響到冷卻塔總體傳熱傳質(zhì)性能。環(huán)境側(cè)風(fēng)雖然會強化塔內(nèi)迎風(fēng)區(qū)域的傳熱傳質(zhì)效果，但對其他區(qū)域的熱力性能卻產(chǎn)生不利影響。
冷卻塔在運行過程中不可避免地受到環(huán)境風(fēng)的影響，環(huán)境風(fēng)對冷卻塔的影響主要包括對風(fēng)荷載的影響以及熱力性能的影響。環(huán)境風(fēng)對冷卻塔風(fēng)荷載的影響由于出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失事事故而受到了較多的關(guān)注。相比較而言，環(huán)境風(fēng)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(zhì)等流體力學(xué)計算難題，構(gòu)建冷卻塔三維熱力性能計算模型難度較大。在現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中，是通過熱態(tài)模型實驗分析環(huán)境風(fēng)對自然通風(fēng)冷卻塔熱力計算性能影響，熱態(tài)模型需要搭建試驗臺，其建設(shè)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(yīng)、人為測量誤差和系統(tǒng)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要針對上述問題，提供一種環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，能夠預(yù)測超大型自然通風(fēng)冷卻塔在環(huán)境風(fēng)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(fēng)冷卻塔的空氣流態(tài)以及熱力性能提供科學(xué)依據(jù)。一種環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，包括根據(jù)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(wǎng)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(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境風(fēng)邊界條件，設(shè)定環(huán)境氣象程序，所述環(huán)境風(fēng)邊界條件主要包括風(fēng)速梯度、風(fēng)溫梯度、汽水分布以及湍流；計算所述冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)，將參數(shù)導(dǎo)入所述環(huán)境氣象程序；在計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網(wǎng)格模型，編譯所述環(huán)境氣象程序；指定水溫標(biāo)量的計算區(qū)域為傳熱傳質(zhì)區(qū)，設(shè)定控制參數(shù)；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(jié)果。
實施本發(fā)明，具有如下有益效果本發(fā)明技術(shù)提供了一種適用于的復(fù)雜大氣邊界層湍流脈動風(fēng)影響下，超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型方法，采用該方法比物理模型試驗?zāi)苡行Ч?jié)省試驗費用。三維數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述環(huán)境風(fēng)的復(fù)雜特性，如風(fēng)速梯度、風(fēng)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(xiàn)的。此外采用本發(fā)明的技術(shù)，可以獲得塔內(nèi)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(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例的側(cè)風(fēng)風(fēng)速對出塔水溫的影響示意圖；圖3為本發(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。圖I為本發(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法的流程圖，包括SlOl :根據(jù)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(wǎng)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(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境風(fēng)邊界條件，設(shè)定環(huán)境氣象程序，所述環(huán)境風(fēng)邊界條件主要包括風(fēng)速梯度、風(fēng)溫梯度、汽水分布以及湍流；S103 :計算所述冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)，將參數(shù)導(dǎo)入所述環(huán)境氣象程序；S104 :在計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網(wǎng)格模型，編譯所述環(huán)境氣象程序；S105 :指定水溫標(biāo)量的計算區(qū)域為傳熱傳質(zhì)區(qū)，設(shè)定控制參數(shù)；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(jié)果。近地面大氣邊界層環(huán)境風(fēng)由于受不規(guī)則地表、氣溫差以及擾動的影響，其流速分布比較復(fù)雜，往往會存在梯度和切變等特點。因而若要準(zhǔn)確給定作為超大型自然通風(fēng)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(huán)境風(fēng)分布及模擬方法。大氣邊界層空氣流動流動，其風(fēng)速分布、風(fēng)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(tǒng)的物理模型試驗難以實現(xiàn)的上述技術(shù)仿真。本發(fā)明利用CFD軟件的環(huán)境氣象程序來對環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)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(shù)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(qū)域劃分成一系列控制體積，每個控制體積都有一個節(jié)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(dǎo)出離散方程。在導(dǎo)出過程中，需要對界面上的被求函數(shù)本身及其一階導(dǎo)數(shù)的構(gòu)成做出假定，這種構(gòu)成的方式就是有限體積法的離散格式。用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數(shù)值計算中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。本發(fā)明技術(shù)提供了一種適用于的復(fù)雜大氣邊界層湍流脈動風(fēng)影響下，超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型方法，采用該方法比物理模型試驗?zāi)苡行Ч?jié)省試驗費 用。本發(fā)明的技術(shù)，可以獲得塔內(nèi)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(shù)值模擬我們發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)對冷卻塔出塔水溫的影響規(guī)律，根據(jù)所述仿真計算結(jié)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(fā)明實施例的側(cè)風(fēng)風(fēng)速對出塔水溫的影響示意圖。在環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速較小的時候，隨著風(fēng)速的增加，出塔水溫也隨之增加；而當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速超過一定值以后，隨著風(fēng)速的增加，出塔水溫反而下降。通過三維數(shù)值模擬，我們發(fā)現(xiàn)環(huán)境側(cè)風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(fēng)冷卻塔的熱力性能，存在側(cè)風(fēng)風(fēng)速的一個臨界點，圖3為本發(fā)明環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(jù)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(wǎng)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(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境風(fēng)邊界條件，設(shè)定環(huán)境氣象程序，所述環(huán)境風(fēng)邊界條件主要包括風(fēng)速梯度、風(fēng)溫梯度、汽水分布以及湍流；S203 :依據(jù)熱力學(xué)等相關(guān)公式和冷卻塔所處的環(huán)境氣象條件，計算所述超大型冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)，將參數(shù)導(dǎo)入ANSYS FLUENT軟件的所述環(huán)境氣象程序；S204 :在ANSYS FLUENT軟件中讀入所述三維網(wǎng)格模型，編譯所述環(huán)境氣象程序；S205:指定傳熱傳質(zhì)區(qū)的進塔水溫、淋水密度、雨區(qū)的雨滴初始速度以及淋水區(qū)雨滴的初始速度為計算域；S206 :設(shè)置大氣壓、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)參數(shù)；S207 :設(shè)置湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)k- e模型、標(biāo)準(zhǔn)wall函數(shù)；S208 :設(shè)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(shè)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(jié)果。
根據(jù)所述仿真計算結(jié)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(jù)熱力學(xué)等相關(guān)公式和冷卻塔所處的環(huán)境氣象條件，計算所述超大型冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)。所述熱力學(xué)相關(guān)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(quán)利要求
1.一種環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，包括 根據(jù)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(wǎng)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(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境風(fēng)邊界條件，設(shè)定環(huán)境氣象程序，所述環(huán)境風(fēng)邊界條件主要包括風(fēng)速梯度、風(fēng)溫梯度、汽水分布以及湍流； 計算所述冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)，將參數(shù)導(dǎo)入所述環(huán)境氣象程序； 在計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件中讀入所述網(wǎng)格模型,編譯所述環(huán)境氣象程序； 指定水溫標(biāo)量的計算區(qū)域為傳熱傳質(zhì)區(qū)，設(shè)定控制參數(shù)；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(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件為 ANSYS FLUENT軟件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)的環(huán)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(zhì)程序、汽水兩相的相互作用程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設(shè)定控制參數(shù)的步驟，包括 設(shè)置大氣壓、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設(shè)定控制參數(shù)的步驟，還包括 設(shè)置湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)k- e模型、標(biāo)準(zhǔn)wall函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設(shè)定控制參數(shù)的步驟，還包括 設(shè)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(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設(shè)定控制參數(shù)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(jù)權(quán)利要求6或7所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，其特征在于，設(shè)定控制參數(shù)的步驟，還包括 設(shè)置差分格式、松弛因子。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8任一項所述的環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)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(jié)果的步驟之后，還包括 根據(jù)所述仿真計算結(jié)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(fā)明公開了環(huán)境風(fēng)對超大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能影響的計算方法，包括根據(jù)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(wǎng)格模型，根據(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境風(fēng)邊界條件，設(shè)定環(huán)境氣象程序；計算所述冷卻塔的環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻水參數(shù)，將參數(shù)導(dǎo)入所述環(huán)境氣象程序；在計算流體力學(xué)軟件中讀入所述網(wǎng)格模型，編譯所述環(huán)境氣象程序；指定水溫標(biāo)量的計算區(qū)域為傳熱傳質(zhì)區(qū)，設(shè)定控制參數(shù)；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(jié)果。采用本發(fā)明，可以預(yù)測超大型自然通風(fēng)冷卻塔在環(huán)境風(fēng)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(fēng)冷卻塔的空氣流態(tài)以及熱力性能提供科學(xué)依據(jù)。
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(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)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(wèi)兵 申請人:中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院