汽輪機(jī)凝汽器換熱特性的多孔介質(zhì)建模研究

1、汽輪機(jī)凝汽器換熱特性的多孔介質(zhì)建模研究摘要：火電機(jī)組凝汽器內(nèi)部換熱特性對機(jī)組整體運(yùn)行性能具有非常重要的意義。本文針對汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)的流固耦合復(fù)雜特性，基于多孔介質(zhì)三維仿真策略，對凝汽器汽側(cè)壓力場的進(jìn)行簡化建模研究，考慮冷卻水溫度沿管長呈線性分布的特性及其對蒸汽凝結(jié)量和換熱量分布的影響，利用Fluent軟件對其進(jìn)行仿真。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程根本吻合，簡化合理。這對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)冷凝器壓力場多孔介質(zhì)建模仿真中圖分類號(hào)：TK12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202101a-0112-02冷凝器是汽輪機(jī)非常重要的輔助設(shè)備，特別是大型汽輪機(jī)冷凝

2、器，其尺寸比較大，冷凝管數(shù)量多且布置方式有異于一般冷凝器。而且，隨著蒸汽的凝結(jié)，多相混合物流速、空氣濃度、換熱系數(shù)和熱負(fù)荷等參數(shù)沿流程的劇烈變化，其內(nèi)部的流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象更加復(fù)雜。因此，正確合理預(yù)測冷凝器內(nèi)部復(fù)雜物理場，對實(shí)際工程工程具有非常重要的指導(dǎo)意義，一直以來都受到許多研究者的重視1-3。文獻(xiàn)【4】和【5】提出了多孔介質(zhì)建模思路，為凝汽器特性研究提供了一定的思路。但是，針對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況的研究較少。因此，本文首先采用多孔介質(zhì)模型，對某大型汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)汽側(cè)的復(fù)雜壓力場做適當(dāng)簡化后，然后利用Fluent軟件對其進(jìn)行二維數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程根

3、本吻合。然后在此根底上，進(jìn)行了一些理論分析，得到了一些有參考價(jià)值的結(jié)論，對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。1多孔介質(zhì)物理建模策略蒸汽凝結(jié)放出的熱量由金屬管壁吸收，然后通過對流換熱方式由循環(huán)冷卻水帶走。對于不可防止的一定漏氣量，通過抽汽保持真空。1.1汽側(cè)壓力場物理模型的簡化過程一般，由于整個(gè)冷凝器尺寸與大型凝氣器內(nèi)凝結(jié)區(qū)管束的管徑相比已經(jīng)相當(dāng)小了，因此，在整個(gè)冷凝器物理場的模擬中，將凝結(jié)區(qū)管束作為多孔介質(zhì)處理的假設(shè)是合理的。蒸汽在管束區(qū)流動(dòng)，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽質(zhì)量不斷減少，將蒸汽在管壁上凝結(jié)量，分布到整個(gè)管束區(qū)中，可看作是連續(xù)性方程中的一個(gè)源項(xiàng)，即分布質(zhì)量匯。同樣將蒸汽在管束區(qū)流動(dòng)的阻力分布

4、在整個(gè)管束區(qū)中，作為動(dòng)量方程的一個(gè)源項(xiàng)，即分布阻力。因此，為了簡化計(jì)算并能確保模型具有一定的精度，在建立冷凝器的模型時(shí)，根據(jù)大型冷凝器工作情況，進(jìn)行如下假設(shè)：冷卻水管束區(qū)按一族處理，采用具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的模型模擬管束區(qū)的物理場；由于只模擬汽側(cè)物理場，因此忽略不凝性氣體的影響、忽略冷凝器散熱、忽略凝結(jié)水的體積；由于蒸汽流速較高，汽側(cè)湍流較強(qiáng)，而且在凝結(jié)區(qū)內(nèi)，由于是相變傳熱，因此忽略粘性耗散。通過以上的合理簡化，最終可以將冷凝器汽側(cè)復(fù)雜的汽相流動(dòng)和傳熱過程，簡化為蒸汽在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的單相定壓定常湍流流動(dòng)。1.2凝結(jié)水溫度場物理模型的簡化過程針對冷凝器內(nèi)部甚為復(fù)雜的流

5、動(dòng)與傳熱現(xiàn)象以及受多種因素影響的凝結(jié)水形成過程，簡化策略如下：1凝結(jié)水存在過冷度問題。2將流固耦合的兩相流問題轉(zhuǎn)化為等效的單相問題進(jìn)行研究。3冷卻水管束區(qū)按一族建模，采用具有多空介質(zhì)模型策略。4非管束區(qū)域有凝結(jié)水在流動(dòng)，如圖1所示。2數(shù)值模擬理論根底2.1根本數(shù)學(xué)模型一般來說，連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍流方程來描述具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的蒸汽流動(dòng)和凝結(jié)換熱過程，其通用形式如下式1所示：針對研究問題的特殊性，只需進(jìn)行源項(xiàng)的單獨(dú)處理。2.2多孔介質(zhì)模型的建立策略所假設(shè)的冷卻水溫度線性分布，冷卻水管束區(qū)按一族處理，采用多孔介質(zhì)模型模擬管束區(qū)復(fù)雜流場。1非管束區(qū)沒有質(zhì)量與能量的損耗，源項(xiàng)為0。2管束區(qū)忽

6、略凝結(jié)水的體積，質(zhì)量與能量都有一定的損耗，在管束區(qū)各添加是一個(gè)負(fù)的質(zhì)量源項(xiàng)與能量源項(xiàng)分別如下式2和3所示：目前，計(jì)算中常用的近似溫度為平均溫度，與實(shí)際中的臥式冷凝器的溫度分布有所差異。所以，本文采用線性溫度分布特性的假設(shè)條件。3數(shù)值模擬結(jié)果及分析由于中間局部的冷凝水管分布區(qū)域即多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)ρ芯科鹬匾饔?，因而網(wǎng)格可以根據(jù)計(jì)算需要而進(jìn)行加密細(xì)化，圖1為間隔4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)顯示效果。此外由于管束區(qū)與非管束區(qū)之間存在一個(gè)過渡，內(nèi)部條件與壁面也存在一個(gè)過渡，因此，為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，在這些過渡區(qū)域局部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。邊界條件設(shè)為：蒸汽垂直排入冷凝器內(nèi)，質(zhì)量流量入口；多孔介質(zhì)區(qū)域，采用均勻質(zhì)量與溫度分

7、布條件；其余為壁面條件。壓力分布模擬結(jié)果如下圖2所示，從結(jié)果中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定吻合度，表示模型存在合理的地方。在實(shí)際中，由于汽側(cè)壓力的改變會(huì)導(dǎo)致很多因素的改變，間接對凝結(jié)水過冷度造成影響。4結(jié)語針對目前缺乏對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況加以考慮的凝汽器特性模擬研究的現(xiàn)狀，本文首先采用多孔介質(zhì)模型，對某大型汽輪機(jī)的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)做適當(dāng)簡化后進(jìn)行二維數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理過程根本吻合。然后在此根底上，進(jìn)行了一些理論分析，得到了一些有參考價(jià)值的結(jié)論，對實(shí)際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)【1】杜小澤，金衍勝，姜?jiǎng)Σǎ?火電廠直接空冷凝汽器傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究J.工程熱物理學(xué)報(bào)，2021，301：99-101.【2】王曼華，楊立軍，杜小澤，等.梯形空冷凝汽器布局下直接空冷系統(tǒng)的流動(dòng)傳熱性能J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2021，3314：59-66.【3】韓成龍，張莉，曾申富，等.管板尺寸對凝汽器性能影響的研究J.汽輪機(jī)技術(shù)，2021，592：107-110.【4】周