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计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通过计算机进行数值模拟，分析流动和传热等物理现象的技术，是近代流体力学、数值数学、计算机科学结合的产物。从上世纪90年代，随着计算机技术和流体动力学的迅速发展，CFD技术获得了质的飞跃，走出实验室和研究所，真正应用于航空航天、能源动力、石油化工、汽车工业等领域。目前，CFD模拟已成为与理论分析、实验测量并列的三种研究流体流动问题的方法之一，因其迅速、廉价、越来越高的准确性，以及可在非常广泛的参数范围内对流场总体和细节进行定量分析等优势，得到越来越广泛的应用[1]。
近些年来，CFD技术在指导电力工程设计，优化发电设备结构，分析系统运行及改善发电设备的安全性和可靠性等方面的应用日益普及。顾红芳、石磊、吕太、刘学、曹蓉秀等人[2,3,4,5,6]分别采用了CFD软件对火电机组直接空冷系统排汽管道的流动特性进行模拟计算，并提出了均衡支管流量，降低管系压降的优化措施。张遐龄、段会申、周兰欣、何辉等人[7,8,9,10]采用数值模拟的方法通过CFD软件分析了影响直接空冷凝汽器换热的因素，分别提出了增加边缘风机的功率，增加空冷平台挡风墙高度，增大空冷平台间距，空冷岛加装导流装置等经济、高效的措施以提升空冷机组的换热性能。俞逾、赵建忠、李德波、杨松、张彦军等人[11,12,13,14,15]分别采用CFD软件Fluent对火电机组SCR烟气脱硝系统进行了流场数值模拟计算，分析了反应器及烟道中导流装置对流场分布的影响，均不同程度优化了导流装置，改善了烟道内的气流分布，提高了系统的工作效率。
本文结合实际工程，利用计算流体力学软件Fluent分别针对火电机组小机排汽、直接空冷以及烟道等三个系统进行数值模拟和分析研究，结果可为电力工程设计提供理论和实际应用参考。
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CFD问题的求解过程如图1所示。火电机组小机排汽、直接空冷以及烟道等三个系统内部的流动均为三维湍流问题，需借助适当湍流模型，本文采用应用较广泛的标准k-ε模型。
图 1 CFD求解流程
Figure 1. Processing flow of CFD
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((1)) -
((2)) 式中：ρ为介质密度；μ为流速，i, j＝1，2，3；p为压力；τij为应力张量，δij为克罗内克算子(Kronecker delta)；ρgi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力(如离散相相互作用产生的升力)，Fi包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。
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((3)) ((4)) ((5)) 式中：κ为湍动能；ε为湍流耗散率；μ为介质的动力粘性系数，μt为湍流粘性系数；系数cμ取0.09，cε1取1.44，cε2取1.92，σκ取1.0，σε取1.3。
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数值计算所选取的结构模型为实际工程结构，采用非结构化网格技术对其进行网格划分，网格划分采用了分区划分网格技术，不同区域采用不同的网格类型和间距进行划分，对特征模块、局部阻力件、流向转变及流道变化处等进行网格加密。在实际计算过程中应进行网格独立解的验证，保证数值计算都在工程考核指标基本与网格无关的网格下进行[16]。以小机排汽管道为例，如图2所示，网格数大于14万个以后，加密网格系统阻力计算结果变化幅度很小(<1%)，网格独立。数值计算采用的网格数约19万个。
图 2 网格独立性验证
Figure 2. Grid independence verification
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对某300 MW工程的Φ2120×12小机排汽管道进行数值模拟，拟得到：
1)小机排汽管道内蒸汽的流场分布。
2)得到整个管道系统的总压降。
3)得到各管件的局部压降。
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1)入口边界
选择质量入口条件，入口温度为入口处压力对应的饱和温度，紊流强度I ＝ 10%，紊流黏性比取10，介质为饱和水蒸汽。
2)出口边界
出口都选outflow作为边界条件。
3)其他边界
四周壁面都选择墙壁面边界条件，选择无滑移边界条件，并与外界保持绝热。
阀门按多孔跳跃模型给定，局部阻力取ζ＝8λ。
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图3为小机排汽管道三维模型图，图4为小机排汽管道网格划分示意图，图5为P ＝ 3.166 kPa，G ＝ 4.17 kg/s工况下小机排汽管道流场压力分布云图，图6为P ＝ 3.166 kPa，G＝ 4.17 kg/s工况下小机排汽管道流场速度矢量图。由图5和图6可以看到整个小机排汽管道内流场分布情况，同时可以根据流场计算结果得到弯头、三通等管件的局部阻力。
图 3 小机排汽管道三维模型图
Figure 3. 3D Model of exhaust steam duct of steam feed pump
图 4 小机排汽管道网格划分示意图
Figure 4. Grid partition diagram of exhaust steam duct of steam feed pump
图 5 小机排汽管道流场压力分布云图(P＝3.166 kPa，G＝4.17 kg/s)
Figure 5. Pressure contour of exhaust steam duct of steam feed pump (P＝3.166 kPa，G＝4.17 kg/s)
图 6 小机排汽管道流场速度矢量图(P＝3.166kPa，G＝4.17kg/s)
Figure 6. Vector diagram of exhaust steam duct of steam feed pump (P＝3.166kPa，G＝4.17kg/s)
表1为计算结果分析后各工况对应的总压降。
表 1 各工况对应的总压降
Table 1.
Total pressure drop of exhaust steam duct of steam feed pump at different conditions 压力/kPa 流量/(kg·s-1) 总压降/Pa 3.166 4.17 193 6 9.849 584 12.3 11.6 412 -
对某600 MW工程的直接空冷系统性能进行数值模拟。该直接空冷系统总散热面积约为150万m2，包含56个散热单元，按8列布置，每列7个单元。通过对直接空冷系统性能的数值模拟，拟实现：
1)提供各风向、风速、气温的不同组合时，得到气象环境对空冷系统的影响程度，如换热效率下降幅度、热风回流量、受影响风机的进口温升值及影响区域(或风机台数)。
2)对空冷机组的规划布置给出建议；给出环境风对空冷系统影响的有利风向区域、较有利风向区域、不受影响风向区域、不利风向区域、较不利风向区域。
3)对空冷平台高度，风机风量和挡风墙高度及布置方式提出建议。
4)得到各风向、风速、气温的不同组合时空冷平台的散热效率。
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1)选取整个电厂为模型区域，厂区中的重要建筑物如锅炉房、汽机房、烟囱，周围山峦等都在模型中体现，如图7所示。
图 7 直接空冷系统计算模型和网格划分示意图
Figure 7. Structure model and grid partition of direct air cooling power plant
2)空冷凝汽器分成与风机对应的传热单元，考虑到空冷凝汽器的结构及其换热的复杂性，对其进行适当的简化，在保持空冷单元宏观阻力和传热特性不变的前提下拟有条件采用Fluent中的散热器模型(heat exchanger)和多孔介质模型(porous)进行模拟。
3)风机在模型中采用排气扇模型(fan)。
4)环境风向、风速、气温等气象参数以及汽轮机低压缸排汽背压作为边界条件输入模型。
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图8为直接空冷平台横剖面温度云图，图9为直接空冷平台纵剖面温度云图，图10为风机入口的温升分布，图11为散热器单元效率分布。由图8，图9，图10，图11可以看出环境风向、风速、温度对空冷平台散热能力的影响。
图 8 直接空冷平台横剖面温度云图
Figure 8. Temperature contour of the cross section of direct air cooling platform
图 9 直接空冷平台纵剖面温度云图
Figure 9. Temperature contour of the longitudinal section of direct air cooling platform
图 10 风机入口的温升分布
Figure 10. Temperature rise distribution of fans inlet
图 11 散热器单元效率分布
Figure 11. Efficiency distribution of air-cooled condenser units
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对某1000 MW火电机组烟道内气体动力特性进行数值模拟，拟得到：
1)烟道内部烟气的流场分布。
2)烟道系统的流量分配。
3)烟道系统的总压降及局部阻力件的压降。
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1)入口段烟道截面尺寸3 m×14 m，出口段烟道截面尺寸7.5 m×6.5 mm，其中除尘器入口烟道截面尺寸4 m×4 m，引风机入口烟道截面尺寸8 m×6 m，除尘器入口烟道压力-6.38 kPa/g，温度120 ℃，风机入口烟道压力-6.96 kPa/g，温度115 ℃，烟气流速约为13.6 m/s。
2)根据燃烧采用的煤种得到烟气中各成分的物性，并利用混合物物性的计算方法得出烟气物性，建立UDF程序来实现除尘器前后的烟气物性的变化。
3)入口边界条件采用速度入口边界条件(vel ocity-inlet)。将由给定的进口参数确定，由进入烟道的体积流量计算获得。
4)出口边界条件选用压力出口边界条件(pressure-outlet)，给定流动出口边界上的静压。由烟囱的几何高度、锥度计算出烟囱的抽力，进而推算出模拟计算所需的出口参数。
5)风机在模型中采用排气扇模型(fan)，排气扇边界类型允许输入控制排气扇扬程(压升)和流动速率(速度)之间关系的经验曲线。此关系可由风机的性能曲线得到。
6)除尘器在模型中采用Fluent中的多孔介质模型(porous)。
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图12为除尘器编号示意图，图13为烟道计算模型图，图14为除尘器进出口横剖面速度场云图，图15为除尘器进出口横剖面静压场云图。由图14和图15可以看到烟道内流场分布。
图 12 除尘器编号示意图(流动方向为-X向)
Figure 12. Number schematic diagram of electrostatic precipitators (flow direction is-X direction)
图 13 烟道计算模型
Figure 13. Simulation model of the flue system
图 14 除尘器进出口横剖面速度场云图
Figure 14. Velocity contour of the cross section of electrostatic precipitators
图 15 除尘器进出口横剖面静压场云图
Figure 15. Static pressure contour of the cross section of electrostatic precipitators
表2为除尘器流量分布偏差，表3为烟道阻力分布。根据表2和表3的计算结果可以定量地分析出烟道系统的流量分配及阻力特性，表3对Fluent软件的阻力计算值与《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》(DL/T 5121—2000)设计值进行了对比，可以看出计算值小于规程设计值，二者总阻力数值相近，相对偏差约为3.5%，这主要是因为采用Fluent软件针对特定工程，计算值更贴近烟道内部的实际流动，而规程设计值依据大量相似工程的运行数据或者实验测试数据，偏于保守。Fluent数值模拟结果预测烟道系统内部流动特性的方法具有较高的精度，能够很好的应用与工程实践当中。
表 2 除尘器流量分布偏差
Table 2.
Flow distribution deviation of electrostatic precipitators 名称 除尘器1 除尘器2 除尘器3 流量偏差 0.045 0.012 -0.057 表 3 烟道阻力分布
Table 3.
Flue resistance distribution 结构名称 Fluent软件阻力计算值/Pa DL/T 5121—2000设计值/ Pa 进口段 12 84 渐缩段1 18 弯头 74 除尘器进口分流段 1号除尘器 193 213 2号除尘器 297 3号除尘器 286 除尘器 1号除尘器 228 250(技术协议保证值) 2号除尘器 196 3号除尘器 172 除尘器出口汇流段 1号除尘器 229 215 2号除尘器 157 3号除尘器 192 渐缩段2 35 105 渐扩段 39 出口段 9 总阻力 837 867 -
通过介绍CFD技术在小机排汽管道、直接空冷系统以及烟道系统上的相关应用，可以看出CFD技术具有良好的实用价值：研究成本低，周期短，无实验仪器干扰，能获得完整的数据，能将计算情况进行可视化再现。因此CFD技术在电力工程设计领域有着良好的应用前景。作为一种先进的设计分析手段，它的应用应该着眼于电力工程设计的精细化、国际化，深入广泛地开展特殊、复杂结构和国外工程的计算仿真，一方面可以解决以前没有认识清楚的问题，提高设计水平；另一方面对国外工程而言，数值模拟结果还可以获得更高的认可度。
Study on Power Engineering Simulation Design Based on CFD
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摘要:
为了研究当前电力工程设计中复杂的流动、传热问题，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术分别针对火电机组小机排汽、直接空冷以及烟道等三个系统进行了研究，详细阐述了计算目的、计算域和边界条件的设置，得到了各系统内部流场的流动特性。从各方面的应用可以看出，CFD仿真技术在电力工程设计领域存在着广阔的应用前景。 Abstract:In order to study the complex flow and heat transfer in power engineering design, computational fluid dynamics(CFD) technology was used to study exhaust steam system of steam feed pump, direct air cooling system and flue system. The calculation purpose, calculation domain and boundary conditions are described in detail, and the internal flow characteristics of each system is obtained. From all aspects of the application, CFD technology has a wide application prospect in power engineering design field. -
图 4 小机排汽管道网格划分示意图
Fig. 4 Grid partition diagram of exhaust steam duct of steam feed pump
图 5 小机排汽管道流场压力分布云图(P＝3.166 kPa，G＝4.17 kg/s)
Fig. 5 Pressure contour of exhaust steam duct of steam feed pump (P＝3.166 kPa，G＝4.17 kg/s)
图 6 小机排汽管道流场速度矢量图(P＝3.166kPa，G＝4.17kg/s)
Fig. 6 Vector diagram of exhaust steam duct of steam feed pump (P＝3.166kPa，G＝4.17kg/s)
图 7 直接空冷系统计算模型和网格划分示意图
Fig. 7 Structure model and grid partition of direct air cooling power plant
图 8 直接空冷平台横剖面温度云图
Fig. 8 Temperature contour of the cross section of direct air cooling platform
图 9 直接空冷平台纵剖面温度云图
Fig. 9 Temperature contour of the longitudinal section of direct air cooling platform
图 12 除尘器编号示意图(流动方向为-X向)
Fig. 12 Number schematic diagram of electrostatic precipitators (flow direction is-X direction)
图 14 除尘器进出口横剖面速度场云图
Fig. 14 Velocity contour of the cross section of electrostatic precipitators
图 15 除尘器进出口横剖面静压场云图
Fig. 15 Static pressure contour of the cross section of electrostatic precipitators
表 1 各工况对应的总压降
Tab. 1.
Total pressure drop of exhaust steam duct of steam feed pump at different conditions 压力/kPa 流量/(kg·s-1) 总压降/Pa 3.166 4.17 193 6 9.849 584 12.3 11.6 412 
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表 2 除尘器流量分布偏差
Tab. 2.
Flow distribution deviation of electrostatic precipitators 名称 除尘器1 除尘器2 除尘器3 流量偏差 0.045 0.012 -0.057
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表 3 烟道阻力分布
Tab. 3.
Flue resistance distribution 结构名称 Fluent软件阻力计算值/Pa DL/T 5121—2000设计值/ Pa 进口段 12 84 渐缩段1 18 弯头 74 除尘器进口分流段 1号除尘器 193 213 2号除尘器 297 3号除尘器 286 除尘器 1号除尘器 228 250(技术协议保证值) 2号除尘器 196 3号除尘器 172 除尘器出口汇流段 1号除尘器 229 215 2号除尘器 157 3号除尘器 192 渐缩段2 35 105 渐扩段 39 出口段 9 总阻力 837 867
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