专利名称：环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法
技术领域：
本发明涉及冷却塔的仿真设计技术，特别是涉及环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法。
背景技术：
自然通风冷却塔是内陆电厂中最为普遍的换热装置，随着火电机组容量的提高以及内陆核电的发展，需要采用超大型自然通风冷却塔来满足机组对换热装置越来越高的要求。内陆核电站所用湿式冷却塔的淋水面积达到2X IO4IX 104，其设计尺寸已发展到塔高近220m、塔底直径近185m，这远远大于常规冷却塔的设计尺寸。对于自然通风自然通风冷却塔，在环境侧风的影响下，冷却塔轴对称的空气动力场遭到破坏，塔内冷源空气也不再呈周向均匀分布。塔内空气流动的三维性，必然影响到塔内传热传质区各区传热传质强度，造成塔内传热传质强度的非线性分布，并进一步影响到冷却塔总体传热传质性能。环境侧风虽然会强化塔内迎风区域的传热传质效果，但对其他区域的热力性能却产生不利影响。
冷却塔在运行过程中不可避免地受到环境风的影响，环境风对冷却塔的影响主要包括对风荷载的影响以及热力性能的影响。环境风对冷却塔风荷载的影响由于出现了结构失事事故而受到了较多的关注。相比较而言，环境风对冷却塔热力性能的影响研究相对较少，其主要原因在于冷却塔热力性能的计算涉及到多相流传热传质等流体力学计算难题，构建冷却塔三维热力性能计算模型难度较大。在现有技术当中，是通过热态模型实验分析环境风对自然通风冷却塔热力计算性能影响，热态模型需要搭建试验台，其建设需要耗费较多的人力物力，试验台的运行也需要较大的电力耗费，代价较大。同时，物理模型不可避免存在比尺效应、人为测量误差和系统误差。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，能够预测超大型自然通风冷却塔在环境风作用下空气动力行为以及热力性能，为改善超大型自然通风冷却塔的空气流态以及热力性能提供科学依据。一种环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，包括根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象程序；在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。
实施本发明，具有如下有益效果本发明技术提供了一种适用于的复杂大气边界层湍流脉动风影响下，超大型自然通风冷却塔热力性能预测的数学模型方法，采用该方法比物理模型试验能有效节省试验费用。三维数学模型能够准确描述环境风的复杂特性，如风速梯度、风温梯度、水汽分布梯度等，而这些都是物理模型试验难以实现的。此外采用本发明的技术，可以获得塔内外的空气流场分布，可以获得出塔水温的分布，而物理模型试验只能获得离散点上的空气流速和水温值。
图I为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的流程图；图2为本发明实施例的侧风风速对出塔水温的影响示意图；图3为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施 例流程图；图4为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施例示意图之一；图5为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施例示意图之二；图6为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施例示意图之三；图7为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施例示意图之四。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。图I为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的流程图，包括SlOl :根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；S102 :根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；S103 :计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象程序；S104 :在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；S105 :指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。近地面大气边界层环境风由于受不规则地表、气温差以及扰动的影响，其流速分布比较复杂，往往会存在梯度和切变等特点。因而若要准确给定作为超大型自然通风冷却塔热力性能计算的边界条件，仿真模型必须考虑灵活的环境风分布及模拟方法。大气边界层空气流动流动，其风速分布、风温分布和水汽含量均存在较大梯度，并具有明显的湍流脉动特征。传统的物理模型试验难以实现的上述技术仿真。本发明利用CFD软件的环境气象程序来对环境风速、风温、水汽含量以及湍流场进行描述，能够很好地解决这一技术问题。需要补充说明的是，本专利采用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)来对计算域和控制方程进行离散。在有限容积法中将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制体积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成做出假定，这种构成的方式就是有限体积法的离散格式。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最为广泛的一种方法。本发明技术提供了一种适用于的复杂大气边界层湍流脉动风影响下，超大型自然通风冷却塔热力性能预测的数学模型方法，采用该方法比物理模型试验能有效节省试验费 用。本发明的技术，可以获得塔内外的空气流场分布，可以获得出塔水温的分布。如图2所示，通过三维数值模拟我们发现环境风对冷却塔出塔水温的影响规律，根据所述仿真计算结果，获取冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。图2为本发明实施例的侧风风速对出塔水温的影响示意图。在环境侧风风速较小的时候，随着风速的增加，出塔水温也随之增加；而当侧风风速超过一定值以后，随着风速的增加，出塔水温反而下降。通过三维数值模拟，我们发现环境侧风对超大型自然通风冷却塔的影响的两个阶段，即传热恶化阶段和传热强化阶段，对于不同的超大型自然通风冷却塔的热力性能，存在侧风风速的一个临界点，图3为本发明环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法的实施例流程图。与图I相比，图3为具体实施例的流程图。S201 :根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高；S202 :根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流；S203 :依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入ANSYS FLUENT软件的所述环境气象程序；S204 :在ANSYS FLUENT软件中读入所述三维网格模型，编译所述环境气象程序；S205:指定传热传质区的进塔水温、淋水密度、雨区的雨滴初始速度以及淋水区雨滴的初始速度为计算域；S206 :设置大气压、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)参数；S207 :设置湍流模型，选择标准k- e模型、标准wall函数；S208 :设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热；S209 :在边界条件上给定流速、温度和组分的值；S210 :设置差分格式、松弛因子；S211 :对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。
根据所述仿真计算结果，获取冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。依据热力学等相关公式和冷却塔所处的环境气象条件，计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数。所述热力学相关公式包括如下的控制方程I)雷诺时均 Navier-Stokes 方程(Reynold-averaged Navier-Stokes，RANS):
权利要求
1.一种环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，包括 根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，其中，所述工艺尺寸包括零米直径、出口直径、喉部直径、喉部高度、塔高； 根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序，所述环境风边界条件主要包括风速梯度、风温梯度、汽水分布以及湍流； 计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象程序； 在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件中读入所述网格模型,编译所述环境气象程序； 指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。
2.根据权利要求I所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于 所述计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件为 ANSYS FLUENT软件。
3.根据权利要求I所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，所述预设的环境气象程序包括 冷却水运动程序、基于Merkel模型的汽水两相间传热传质程序、汽水两相的相互作用程序。
4.根据权利要求I至3任一项所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，包括 设置大气压、重力加速度、布辛涅司克(Boussinesq)参数。
5.根据权利要求4所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括 设置湍流模型，选择标准k- e模型、标准wall函数。
6.根据权利要求5所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括 设置流体属性为水蒸气和空气的混合物，指定水蒸气和空气的比热。
7.根据权利要求3所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括 在边界条件上给定流速、温度和组分的值。
8.根据权利要求6或7所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，设定控制参数的步骤，还包括 设置差分格式、松弛因子。
9.根据权利要求I至8任一项所述的环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，其特征在于，对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果的步骤之后，还包括 根据所述仿真计算结果，获取冷却塔的空气流场、温度场、组分场以及出塔水温。
全文摘要
本发明公开了环境风对超大型自然通风冷却塔热力性能影响的计算方法，包括根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却塔的三维网格模型，根据预设的环境风边界条件，设定环境气象程序；计算所述冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入所述环境气象程序；在计算流体力学软件中读入所述网格模型，编译所述环境气象程序；指定水温标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数；对所述计算域进行初始化，采用有限体积法进行计算得到仿真计算结果。采用本发明，可以预测超大型自然通风冷却塔在环境风作用下空气动力行为以及热力性能，为改善超大型自然通风冷却塔的空气流态以及热力性能提供科学依据。
文档编号G06F17/50GK102831276SQ20121032144
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者乔旭斌, 朱嵩, 龙国庆, 李波, 杨志, 汤东升, 罗必雄, 彭雪平, 匡俊, 毛卫兵 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院