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汽轮机凝汽器换热特性的多孔介质建模研究 打开文本图片集 摘 要：火电机组凝汽器内部换热特性对机组整体运行性能具有特别重要的意义。本文针对汽轮机的冷凝器内凝聚管束区内的流固耦合困难特性，基于多孔介质三维仿真策略，对凝汽器汽侧压力场的进行简化建模探讨，考虑冷却水温度沿管长呈线性分布的特性及其对蒸汽凝聚量和换热量分布的影响，利用Fluent软件对其进行仿真。计算结果与实际物理过程基本吻合，简化合理。这对实际工程问题具有重要的指导意义。 关键词：汽轮机 冷凝器 压力场 多孔介质 建仿照真 中图分类号：TK12 文献标识码：A 文章编号：1674-0101X（2022）01（a）-0112-02 冷凝器是汽轮机特别重要的协助设备，特殊是大型汽轮机冷凝器，其尺寸比较大，冷凝管数量多且布置方式有异于一般冷凝器。而且，随着蒸汽的凝聚，多相混合物流速、空气浓度、换热系数和热负荷等参数沿流程的猛烈改变，其内部的流淌与传热现象更加困难。因此，正确合理预料冷凝器内部困难物理场，对实际工程项目具有特别重要的指导意义，始终以来都受到很多探讨者的重视1-3。文献4和5提出了多孔介质建模思路，为凝汽器特性探讨供应了肯定的思路。但是，针对冷却水温度、蒸汽凝聚量与换热量的耦合状况的探讨较少。 因此，本文首先采纳多孔介质模型，对某大型汽轮机的冷凝器内凝聚管束区内汽侧的困难压力场做适当简化后，然后利用Fluent软件对其进行二维数值模拟，计算结果与实际物理过程基本吻合。然后在此基础上，进行了一些理论分析，得到了一些有参考价值的结论，对实际工程问题具有重要的指导意义。 1 多孔介质物理建模策略 蒸汽凝聚放出的热量由金属管壁汲取，然后通过对流换热方式由循环冷却水带走。对于不行避开的肯定漏气量，通过抽汽保持真空。 1.1 汽侧压力场物理模型的简化过程 一般，由于整个冷凝器尺寸与大型凝气器内凝聚区管束的管径相比已经相当小了，因此，在整个冷凝器物理场的模拟中，将凝聚区管束作为多孔介质处理的假设是合理的。蒸汽在管束区流淌，随着蒸汽的凝聚，蒸汽质量不断削减，将蒸汽在管壁上凝聚量，分布到整个管束区中，可看作是连续性方程中的一个源项，即分布质量汇。同样将蒸汽在管束区流淌的阻力分布在整个管束区中，作为动量方程的一个源项，即分布阻力。 因此，为了简化计算并能确保模型具有肯定的精度，在建立冷凝器的模型时，依据大型冷凝器工作状况，进行如下假设：冷却水管束区按一族处理，采纳具有分布阻力和分布质量汇的模型模拟管束区的物理场；由于只模拟汽侧物理场，因此忽视不凝性气体的影响、忽视冷凝器散热、忽视凝聚水的体积；由于蒸汽流速较高，汽侧湍流较强，而且在凝聚区内，由于是相变传热，因此忽视粘性耗散。通过以上的合理简化，最终可以将冷凝器汽侧困难的汽相流淌和传热过程，简化为蒸汽在具有分布阻力和分布质量汇的多孔介质中的单相定压定常湍流流淌。 1.2 凝聚水温度场物理模型的简化过程 针对冷凝器内部甚为困难的流淌与传热现象以及受多种因素影响的凝聚水形成过程，简化策略如下： （1）凝聚水存在过冷度问题。 （2）将流固耦合的两相流问题转化为等效的单相问题进行探讨。 （3）冷却水管束区按一族建模，采纳具有多空介质模型策略。 （4）非管束区域有凝聚水在流淌，如图1所示。 2 数值模拟理论基础 2.1 基本数学模型 一般来说，连续方程、动量方程、湍流方程来描述具有分布阻力和分布质量汇的蒸汽流淌和凝聚换热过程，其通用形式如下式（1）所示： 针对探讨问题的特别性，只需进行源项的单独处理。 2.2 多孔介质模型的建立策略 所假设的冷却水温度线性分布，冷却水管束区按一族处理，采纳多孔介质模型模拟管束区困难流场。 （1）非管束区没有质量与能量的损耗，源项为0。 （2）管束区忽视凝聚水的体积，质量与能量都有肯定的损耗，在管束区各添加是一个负的质量源项与能量源项分别如下式2和3所示： 目前，计算中常用的近似温度为平均温度，与实际中的卧式冷凝器的温度分布有所差异。所以，本文采纳线性温度分布特性的假设条件。 3 数值模拟结果及分析 由于中间部分的冷凝水管分布区域（即多孔介质区域）对探讨起重要作用，因而网格可以依据计算须要而进行加密细化，图1为间隔4个网格点显示效果。此外由于管束区与非管束区之间存在一个过渡，内部条件与壁面也存在一个过渡，因此，为了使模拟结果更加精确，在这些过渡区域部分进行网格加密处理。 边界条件设为：蒸汽垂直排入冷凝器内，质量流量入口；多孔介质区域，采纳匀称质量与温度分布条件；其余为壁面条件。 压力分布模拟结果如下图2所示，从结果中可以看出，模拟结果与实际结果有肯定吻合度，表示模型存在合理的地方。在实际中，由于汽侧压力的变更会导致许多因素的变更，间接对凝聚水过冷度造成影響。 4 结语 针对目前缺乏对冷却水温度、蒸汽凝聚量与换热量的耦合状况加以考虑的凝汽器特性模拟探讨的现状，本文首先采纳多孔介质模型，对某大型汽轮机的冷凝器内凝聚管束区做适当简化后进行二维数值模拟，计算结果与实际物理过程基本吻合。然后在此基础上，进行了一些理论分析，得到了一些有参考价值的结论，对实际工程问题具有重要的指导意义。 参考文献 1杜小泽，金衍胜，姜剑波，等.火电厂干脆空冷凝汽器传热性能试验探讨J.工程热物理学报，2022，30（1）：101-101. 2王曼华，杨立军，杜小泽，等.梯形空冷凝汽器布局下干脆空冷系统的流淌传热性能J.中国电机工程学报， 2022，33（14）：59-66. 3韩成龙，张莉，曾申富，等.管板尺寸对凝汽器性能影响的探讨J.汽轮机技术，2022，59（2）：107-110. 4周霄，崔国民，姜涛.大型电站凝汽器汽侧物理场的数值模拟A.中国工程热物理学会学术会议C.2022. 5何金桥，肖波，汤盛萍，等.基于多孔介质模型的电厂凝汽器汽侧流淌特性J.中南高校学报：自然科学版，2022， 44（5）：2113-2117. 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页