CN107704674A - 空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法 - Google Patents
空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法属于换热器仿真模拟技术领域，包括如下步骤：建立空冷凝汽器管束三维模型并在三维模型内部划分网格；建立所述空冷凝汽器管束内部的三维空间内水蒸气冷凝换热过程方程并进行求解；对空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程进行仿真，获得空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程的仿真模型，手动输入相应数值，获得任一时刻，空冷凝汽器管束中水蒸汽的体积分数的分布值。本发明直接分析了空冷凝汽器内部的水蒸气冷凝过程，直接反应出管束内部水蒸气体积分数的变化。其运行状况不受各种环境因素的影响，给空冷凝汽器的真实构建安装提供了有力的参考依据，意义重大。
Description
技术领域
本发明属于换热器仿真模拟技术领域，特别是涉及到一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法。
背景技术
火力发电目前仍然是我国发电最主要的形式，然而火力发电厂的用水量非常大，尤其以循环冷却水的消耗量尤为显著。而且，我国水资源分布存在严重的地域和季节差别，煤炭资源分布也极不平衡，我国重要的能源基地“三北”地区是目前世界上最干旱的地区之一，而南方水资源比较丰富但煤炭资源比较少。冷却水的消耗成为煤炭资源丰富地区发展坑口电站的“瓶颈”问题，因此，发展新节水环保的发电技术对富煤缺水西北地区坑口电站建设尤为重要。针对缺水地区发电厂用水量巨大的问题，建设以空气作为冷却介质来冷凝排汽的空冷机组,代替耗水量巨大的湿冷机组，是解决该问题的有效途径。
直接空冷凝汽器系统有较多优势，可以大量节水、减少空冷系统占地面积、提高综合换热效率和运行更经济等。但是，由于空冷凝汽器本身结构巨大，水蒸汽冷凝相变过程也是一个十分复杂的过程，而且空冷凝汽器直接布置于室外，其运行状况受到各种环境因素影响较大，所以目前对于空冷凝汽器管束中水蒸汽冷凝换热过程了解较少，数值模拟还没有人做，想要对空冷凝汽器进行运行和结构的优化，目前的对空冷管束冷凝换热过程的了解显然是不够的。
综上所述，如何通过数值模拟深入了解空冷凝汽器水蒸气冷凝相变过程是有待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，以深入了解空冷凝汽器的凝结换热过程。
空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，包括以下步骤并且以下步骤顺次进行：
步骤一、建立空冷凝汽器管束三维模型并在三维模型内部划分网格，建立空冷凝汽器管束网格模型，所述空冷凝汽器管束网格相互独立；
步骤二、建立所述空冷凝汽器管束内部的三维空间内水蒸气冷凝换热过程方程并进行求解，获得与所述空冷凝汽器管束网格模型对应的数学模型；
步骤三、将计算流体动力学CFD软件加载至步骤二所述的数学模型，对空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程进行仿真，获得空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程的仿真模型，
在所述仿真模型的输入界面中手动输入空冷凝汽器管束的管长，空冷凝汽器管束的横截面形状，空冷凝汽器管束的边长值或直径值，水蒸汽在进口处的质量流量值或者水蒸汽流速值及水蒸汽的密度值，水蒸汽的温度值，水蒸汽运动粘度值，水的密度值，蒸汽的导热系数，汽化潜热值，选取一种边界条件并设定相应数值，获得任一时刻，空冷凝汽器管束中水蒸汽的体积分数的分布值。
对所述的空冷凝汽器管束网格模型内部三维空间的水蒸汽冷凝换热方程进行求解的过程，包括利用计算流体动力学CFD方法对所述水蒸汽冷凝换热方程进行求解。
所述的水蒸汽冷凝换热方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、气相液相之间质量转移方程以及气相液相之间能量转移方程。
所述的连续性方程为：
式中：为哈密顿算子,ρv为水蒸汽密度，为速度矢量，SM为质量源项即冷凝段气相的质量转移，t为时间；
所述的动量方程为：
式中，p为压力，为质量力矢量，I为张量，μ为水蒸汽动力粘度，为速度矢量，Γ为矩阵转置符号；
所述的能量方程为：
式中：k为水蒸汽导热系数；e为内能；SE为能量源项即冷凝时的能量转移；T为温度，αv为水蒸汽体积分数，αl为液态水的体积分数，ρl为液态水的密度。
所述气相液相之间质量转移方程以及气相液相之间能量转移方程，为在液相单元温度低于蒸发温度的条件下，气相和液相之间质量及能量转移方程：
SM＝-βρvαv(Tmix-Tsat)/Tsat
SE＝βρvαv(Tmix-Tsat)LH/Tsat
式中，β为蒸发冷凝系数，LH为水蒸汽冷凝成水的气化潜热，Tmix表示混合相温度，Tsat表示蒸发温度。
所述边界条件包括第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件；所述第一类边界条件为设定管壁的温度值；所述第二类边界条件为设定管壁面热流密度值；第三类边界条件为设定管壁与流体的对流换热。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明利用数学模型，根据空冷凝汽器实际工作状态加载CFD仿真软件，对空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程进行仿真，得到水蒸气冷凝过程的仿真模型。相比于其他常见空冷凝汽器的数值模拟，本发明直接分析了空冷凝汽器内部的水蒸气冷凝过程，直接反应出管束内部水蒸气体积分数的变化。其运行状况不受各种环境因素的影响，给空冷凝汽器的真实构建安装提供了有力的参考依据，意义重大。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法的流程框图。
图2为本发明一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法中实施例的建立的空冷凝汽器管束网格模型图。
图3为本发明一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法中实施例的蒸汽体积分数线形云图。
图4为本发明一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法中实施例的管道中气体平均体积分数随时间的变化率示意图。
具体实施方式
空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟系统，应用本发明所述的空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，包括：网格模型构建模块、网格模型调整模块、数学模型构建模块和仿真模型构建模块。
所述网格模型构建模块，用于建立空冷凝汽器管束三维网格模型，从而得到相应的管束网格模型；
所述网格模型调整模块，用于对建立的网格模型进行修复和独立性检查，提高网格模型的质量；
所述数学模型构建模块，用于对所述的空冷凝汽器管束内部三维空间的水蒸汽冷凝换热过程方程进行求解，得到所述的空冷凝汽器管束网格模型对应的数学模型；
所述仿真模型构建模块，用于利用所述数学模型以及空冷凝汽器工作状态，对所述的空冷凝汽器管束冷凝过程中水蒸汽冷凝成水的过程进行仿真，得到水蒸汽冷凝相应的仿真模型。
所述的数学模型构建模块，利用了计算流体动力学方法，对空冷凝汽器管束中水蒸汽冷凝换热方程进行求解，得到所述的数学模型。
如图所示，一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法包括：
对空冷凝汽器管束建立三维模型并划分网格，建立起空冷管束的网格模型；
对网格模型进行修复和独立性检查；提高网格模型质量；
编制udf格式的空冷凝汽编程程序，对方程中的质量源项及能量源项进行编程；
对所述空冷管束内部的三维空间内水蒸气冷凝换热过程方程进行求解，得到与所述空冷管束网格模型对应的数学模型；
利用所述的数学模型，并结合空冷凝汽器实际的工作状态，加载CFD软件和预先编制完成的udf格式的空冷凝汽编程程序，对空冷管束内水蒸气冷凝过程进行仿真，得到空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程的仿真模型。
优选的，所述的水蒸气冷凝过程方程组是基于连续性方程、动量方程、能量方程、气相液相之间质量转移方程以及气相液相之间能量转移方程组成的方程组。
优选的，所述的连续性方程为：
在笛卡尔三维坐标系中：
式中：为哈密顿算子,ρv为水蒸汽密度；αv为水蒸汽体积分数；为水蒸汽速度矢量；SM为质量源项即冷凝段气相的质量转移，t为时间。ux,uy,uz分别为速度矢量在三个坐标方向的分量，i,j,k为三个坐标的单位矢量。
优选的，所述的动量方程为：
其中，μ＝γρv
式中，p为压力，为质量力矢量，I为张量，μ为水蒸汽动力粘度，为速度矢量，γ为水蒸汽的运动粘度，Γ为矩阵转置符号。
在三维坐标系下，方程(2)可以分解为下述三个方程：
式中fx,fy,fz分别为三维坐标系下,质量力矢量在三个坐标方向上的分量。
优选的，所述的能量方程为：
其中，
e＝cT (5)
αv+αl＝1 (6)
式中：k为导热系数；e为内能；SE为能量源项即冷凝时的能量转移,T为气体热力学温度，c为气体的比热容，αl为液态水的体积分数，αv为水蒸汽的体积分数，ρl为液态水的密度,ρv为水蒸汽的密度。
优选的，所述的气相和液相之间质量及能量转移方程分别为：
SM＝-βρvαv(Tmix-Tsat)/Tsat (7)
SE＝βρvαv(Tmix-Tsat)LH/Tsat (8)
式中，β为蒸发冷凝系数，LH为水蒸汽冷凝成水的气化潜热，Tmix表示混合相温度，Tsat表示蒸发温度。
所述动量方程中压力p＝ρvRT (9)
式中,R为气体常数。
上述连续性方程、动量方程、能量方程和质量能量方程组成的方程组中的未知数分别为：αv,αl,ρv,ux,uy,uz,p,e,T,SE,SM，共有11个未知数，方程有11个，分别为方程(1)、(2.1)、(2.2)、(2.3)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)和(9)，因此方程组卦闭，可以通过数值计算求解各个未知数。
实施例：下面结合附图和实施例，对本专利的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利，但不用来限制本专利的范围。
单根管内水蒸汽冷凝成水过程的仿真实例，该管的管长为L＝5m，横截面为圆形，其内部直径为5mm。假设该管进口进入的全部是水蒸汽，水蒸汽在进口处的质量流量为1.2×10-4kg/s；水蒸汽的温度T为373.15k，边界条件选第一类边界条件即定壁温,并且设定的管壁温度为300k，水蒸汽运动粘度γ为1.345×10-5m2/s，水的密度ρl为1kg/m3，蒸汽的导热系数k为2.8×10-2W/(m·K)，汽化潜热LH为2.26×103J/Kg，求不同时刻，管道中水蒸汽的体积分数的分布。
步骤1-1：预先对空冷凝汽器管束建立三维模型并划分网格，建立起空冷管束的网格模型。对于网格模型的构建方法有多种方法，仿真过程中，可以根据不同的仿真要求和空冷凝汽器具体结构选择合适的方法划分网格，本实施例中，优选选用六面体网格构建空冷凝汽器的网格模型。
步骤1-2：对已经建立好的空冷凝汽器管束的三维网格模型，进行网格质量检查，对有问题的网格进行修复，并对网格进行独立性检查，得到高质量的网格模型。在本发明所采用的实例中，得到的单管部分区域网格如图2所示。
步骤1-3：对空冷管束内部的三维空间内水蒸气冷凝换热过程方程进行求解，得到与空冷管束网格模型对应的数学模型。根据不同的仿真精度，对空冷管束内部水蒸气冷凝换热方程要求也不同，对于要求精度较高的仿真，该方程也要求完整复杂，对于精度要求不高的仿真，可以对数学模型进行适当的简化。本实施例中无质量源项，则连续性方程为：
动量方程为：
本实施例中SE＝0，能量方程为：
其中，
e＝cT
αv+αl＝1
气相和液相之间质量及能量转移方程为：
SM＝-βρvαv(Tmix-Tsat)/Tsat
SE＝βρvαv(Tmix-Tsat)LH/Tsat
所述动量方程中压力p＝ρvRT
步骤1-4：利用数学模型，并结合空冷凝汽器实际的工作状态，加载CFD软件和udf格式的空冷凝汽编程程序，对空冷管束内水蒸气冷凝过程进行仿真：
在仿真软件上手动输入水蒸汽进口的质量流量1.2×10-4kg/s；水蒸汽的温度T为373.15k，管壁的温度为300k，水蒸汽运动粘度γ为1.345×10-5m2/s，水的密度ρl为1000kg/m3，蒸汽的导热系数k为2.8×10-2W/(m·K)，汽化潜热LH为2.26×103J/Kg，点击求解器，获得不同时刻，管道中水蒸汽的体积分数的分布。
其中，水蒸汽进口的质量流量也可以通过水蒸汽流通横截面积A、输入的水蒸汽的速度和输入的水蒸汽的密度ρv三个数值，仿真软件自动将三个数值相乘得到的乘积即为水蒸汽进口的质量流量。水蒸汽流通横截面积A即为空冷凝汽器管束的横截面积。
该实施例可得到的水蒸气的体积分布云图，图3所示为距离管道出口0.211m处，长度为0.0577m一段管道中的蒸汽体积分数线形云图，从云图可以看出，水蒸气从右侧进入管道，在管道中逐渐冷凝，到出口处，气体所点的体积分数在10％左右，蒸汽基本已经冷凝成水，。
图4为长度为5m的管道中气体平均体积分数随时间的变化率示意图，从图4中可以看出，在开始换热的前8秒左右，管道中蒸汽所占比重大，气体平均体积分数大；随换热时间延长，换热逐惭达到稳定，气体平均体积分数在48％左右，也就是说蒸汽占48％左右。
依照本发明，通过先对空冷凝汽器管束建立网格模型，然后对空冷管束网格模型中的水蒸汽冷凝换热方程进行求解，得到其数学模型，接着根据数学模型对空冷凝汽器管束中水蒸汽冷凝进行防着模拟，从而得到了空冷凝汽器水蒸汽冷凝过程的仿真模型。根据建立的仿真模型，可以对空冷管束中水蒸汽的冷凝相变的换热过程有更深入的了解，为空冷凝汽器运行和结构的优化奠定基础。
以上是本发明对一种空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法及其系统进行的详细的介绍，为了方便阐述本发明的方法和思想，本文应用了具体的实例进行阐述；同时，对于从事该领域的一般技术人员，依据本发明思想可以在具体方法和应用范围上有所改变。
Claims (6)
1.空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征是：包括以下步骤并且以下步骤顺次进行，
步骤一、建立空冷凝汽器管束三维模型并在三维模型内部划分网格，建立空冷凝汽器管束网格模型，所述空冷凝汽器管束网格相互独立；
步骤二、建立所述空冷凝汽器管束内部的三维空间内水蒸气冷凝换热过程方程并进行求解，获得与所述空冷凝汽器管束网格模型对应的数学模型；
步骤三、将计算流体动力学CFD软件加载至步骤二所述的数学模型，对空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程进行仿真，获得空冷凝汽器管束内水蒸气冷凝过程的仿真模型，
在所述仿真模型的输入界面中手动输入空冷凝汽器管束的管长，空冷凝汽器管束的横截面形状，空冷凝汽器管束的边长值或直径值，水蒸汽在进口处的质量流量值或者水蒸汽流速值及水蒸汽的密度值，水蒸汽的温度值，水蒸汽运动粘度值，水的密度值，蒸汽的导热系数，汽化潜热值，选取一种边界条件并设定相应数值，获得任一时刻，空冷凝汽器管束中水蒸汽的体积分数的分布值。
2.根据权利要求1所述的空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征在于：对所述的空冷凝汽器管束网格模型内部三维空间的水蒸汽冷凝换热方程进行求解的过程，包括利用计算流体动力学CFD方法对所述水蒸汽冷凝换热方程进行求解。
3.根据权利要求2所述的空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征在于：所述的水蒸汽冷凝换热方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、气相液相之间质量转移方程以及气相液相之间能量转移方程。
4.根据权利要求3所述的空冷凝汽器水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征在于：
所述的连续性方程为：
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式中：为哈密顿算子,ρv为水蒸汽密度，为速度矢量，SM为质量源项即冷凝段气相的质量转移，t为时间；
所述的动量方程为：
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式中，p为压力，为质量力矢量，I为张量，μ为水蒸汽动力粘度，为速度矢量，Γ为矩阵转置符号；
所述的能量方程为：
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其中，
式中：k为水蒸汽导热系数；e为内能；SE为能量源项即冷凝时的能量转移；T为温度，αv为水蒸汽体积分数，αl为液态水的体积分数，ρl为液态水的密度。
5.根据权利要求3所述的空冷管束水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征在于：所述气相液相之间质量转移方程以及气相液相之间能量转移方程，为在液相单元温度低于蒸发温度的条件下，气相和液相之间质量及能量转移方程：
SM＝-βρvαv(Tmix-Tsat)/Tsat
SE＝βρvαv(Tmix-Tsat)LH/Tsat
式中，β为蒸发冷凝系数，LH为水蒸汽冷凝成水的气化潜热，Tmix表示混合相温度，Tsat表示蒸发温度。
6.根据权利要求1所述的空冷管束水蒸气冷凝过程的数值模拟方法，其特征在于：所述边界条件包括第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件；所述第一类边界条件为设定管壁的温度值；所述第二类边界条件为设定管壁面热流密度值；第三类边界条件为设定管壁与流体对流换热。
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