第1章绪论
1.1课题背景及意义
中国人均水资源只占世界人均水平的四分之一，而火力发电厂的单位耗水率为5.94kg/kWh,远高于发达国家，这对我国富煤贫水的“三北”地区无疑是一个巨大的挑战。空冷技术以相比湿冷机组节约50%-65%的显著优势成为这些地区火力发电的核心技术。在开发电力工业的同时，解决了用水难题，走可持续发展之路。火电空冷技术包括直接空冷和间接空冷两种形式。与传统的水冷方式相比，空冷机组除了其明显的节水优势外，有其固有的缺陷。由于空气的比热容和导热系数都比水的比热容和导热系数要小很多，因此需要大幅增加换热面积方能达到与水冷同样的冷却效果，因而导致空冷系统体积十分庞大，已经超过整个电站投资的10%，是电厂的“第4设备”。不仅如此，空冷机组的换热性能极易受环境气候影响；机组冬季防冻、热风回流以及翅片管积灰压力十分严峻;直接空冷机组发电煤耗高达20g/kWh,是名副其实的“以煤换水”。另外汽轮机背压高，不仅影响运行的经济性，还可能会威胁到运行的安全性。火电机组的直接空冷凝汽器单元(ACC)整体为“A”型结构，由汽轮机排汽管道、倾斜布置的翅片管束以及轴流风机组成[1，2]。蒸汽在排汽管道和翅片管束内凝结，凝结潜热被管外由风机引入的空气带走。
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1.2国内外研究现状
1.2.1火电厂直接空冷系统
由于火电厂空冷技术显著的节水优势，在过去的几十年里已经有了显著发展，国内外学者对其流动传热特性的研究分析主要采用了实验研究和数值计算两种方法。Meyer等[58]实验研究了空冷系统换热的核心部件凝汽器单元中翅片管束的倾斜角度以及翅片管的横截面形状对来流压力损失的影响。作为电厂空冷机组主要动力设备的轴流风机的工作性能深受到环境风影响。环境风在风机入口位置垂直于风机轴线横扫，使得空气偏离轴线流入风机，进而使得入口风量减少。Stinnes和Backstr5m[59]针对这一现象进行了实验研究，结果表明在偏轴入流的情况下，风机所输出的功率完全依赖于空气入流的偏轴角度直至45°。电厂空冷系统中轴流风机风压的增量等于入口流体垂直于轴线的横向分速度的动压。针对这一问题Owen和Kr6ger[6G]研究了空冷平台下面加装挡风屏改善自然风后对凝汽器性能的影响。Liu等[61]对火电厂空冷系统在环境风速和风向影响下的热风回流现象进行了数值研究，并对其产生机理进行了分析。最后提出增加挡风墙高度和增加边缘风机转数两条改善热风回流的措施。Ge等[62]用红外热像仪监测了在环境风温度影响下的空冷凝汽器表面的温度。并分别对冬季与夏季两种工况下凝汽器的换热性能进行了分析，得到凝汽器逆流单元在冬季比较容易结冰的结论。Gxi等针对空冷系统热风回流问题做了风洞实验，除了风速之外，发现空冷平台高度也是影响热风回流量的因素之一。
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第2章基于本征正交分解法的降维模型
2.1引言
后面章节中将采用本征正交分解(POD)方法快速高效预测空冷凝汽器单元的流动传热特性，并基于正交分解方法开发出适用于整个空冷岛多尺度流动换热特征研究的跨尺度模拟方法。无论是空冷凝汽器单元中正交分解的低维模型的建立，还是跨尺度模拟方法的研究和实现，都需要事先建立CFD模型并在参数研究范围内求解一组快照。本章将详细介绍空冷岛流动传热的物理数学模型，包括流体流动传热的控制方程、模型的边界条件及数值解法。另外还将详细阐述用于建立凝汽器单元变量场的低维模型所采用的本征正交分解方法的基理及其实施过程、改进的本征正交分解补集(POD ccomplementary—PODc)法以及求解POD基权系数所采用的三次样条插值法和通量守恒法等。
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2.2空冷岛物理数学模型
本文中的物理模型均选自某2x330MW直接空冷电厂的空冷岛模型。如图2-1所示的典型“A”型结构的空冷凝汽器由蒸汽管道、两个倾斜布置的翅片管束以及轴流风机组成。两个翅片管束之间的夹角为60°。从汽轮机排出的蒸汽在波纹翅片管束内凝结，凝结潜热在翅片间被轴流风机引入的空气带走。本征正交分解(POD)是强大的流动传热结构时空分析工具。可以根据分析需要自行选择感兴趣的分析区域，对其中变量场的能量构成进行分析。利用快速的算法得出正交分解后变量场的各阶基本模态。例如：对三维空冷凝汽器单元内的温度场进行正交分解得到一系列基本模态，图2-3表示前5阶基本模态中翅片管束表面的温度云图。在以后的测量或者模拟研究中，可以随时按照特定阶数的模态对变量场进行重组。其中的各阶流动换热的速度场、流线、祸量场、雷诺应力场、温度场及其他流动换热参数都可以进行显示。可以利用POD方法挖掘出隐藏在速度场和温度场背后的许多本质信息，这些信息对流动换热结构变化的分析，以及在很多测量应用中起到非常关键的作用。
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第3章二维空冷凝汽器流动传热的降维分析........ 20
3.1引言........ 20
3.2物理数学模型 ........20
3.3.插值与FMP方法得到的空气速度场和温度场........ 22
3.4 POD与CFD混合方法所得的速度场和温度场........ 36
3.5本章小结........ 41
第4章三维空冷凝汽器流动传热的降维分析 ........43
4.1引言 ........43
4.2物理数学模型 ........43
4.3本征正交分解备用(POD spare-PODs)法........ 44
4.4快照空间的选择方式 ........46
4.5釆用PODs-c法对凝汽器中流动传热进行分析........ 50
4.6本章小结........ 54
第5章火电厂空冷系统的跨尺度模拟方法研究 ........55
5.1引言 ........55
5.2跨尺度模拟方法........ 55
5.3三维凝汽器单元的跨尺度模拟........ 61
5.4本章小结........ 65
第6章火电厂直接空冷系统中跨尺度流动传热问题的研究
6.1引言
通常情况下都是选择空冷岛作为研究对象，来分析研究火电厂空冷系统的整体换热性能。而空冷岛中具有明显非线性特征的多尺度流动换热性能不仅决定于几十个ICVm数量级的凝汽器单元的流动换热特性，还受到电厂大尺度构筑物，如烟肉、锅炉房、汽机房，以及103m数量级的地形地貌的制约，尤其是在炉后来风的情况下。为了进一步揭示空冷系统中的跨尺度流动传热规律，本章采用第五章提出的跨尺度模拟技术对某2X300MW火电厂空冷系统中的流动传热性能进行分析研究。对包含两个相邻机组中2x30个小尺度凝汽器弟元(ACC)的空冷岛建立POD的低维模型。从POD解中提取出凝汽器单元与环境风条件下大尺度电厂构筑物之间界面上的变量信息。将变量信息作为边界条件赋予大尺度区域，而后采用CFD模拟方法对电厂大尺度区域的速度场及其对应的温度场进行求解。
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结论
对二维空冷凝汽器单元中流动传热的变量场建立了本征正交分解方法的低维模型，用插值和通量守恒两种方法对模型进行求解，并分析了各自的优缺点。用POD补集法建立了凝汽器单元中变量场的鲁棒低维模型。在环境风向的影响下，建立了三维凝汽器单元速度场和温度场的低维模型。提出POD备用法和POD补集法相结合的PODs-c方法来解决由于凝汽器单元周围各种祸的存在而产生的大变量梯度的强烈非线性流动传热问题。提出了一种本征正交分解与计算流体力学/数值传热学相结合的跨尺度模拟方法，分析大型火电机组直接空冷系统的复杂流动传热特性。针对小尺度空冷凝汽器单元区域，采用POD建立关于空气速度场、瑞动能和瑞流耗散率的低维模型并求解。在凝汽器单元与空冷岛的跨尺度界面上，将低维POD解保留的小尺度传输信息作为边界条件，实现对大尺度区域流动和传输特性的数值模拟。用该方法对包含两个相邻长度尺度层次在内的电厂空冷系统的流动传热信息进行模拟分析。两个尺度层次分别为包含2x30个lOim数量级的凝汽器审元在内的空冷岛和大尺度的电厂构筑物及地形地貌的影响。实现了空冷系统中空气流动传热特性的跨尺度关联，从而揭示出不同尺度瑞流祸的相互作用机制。在保持与多重网格CFD模拟结果相近计算精度的基础上，显著得节省了计算时间和计算资源。
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参考文献（略）
