空冷島對底層大氣邊界層特性的影響

吳正人， 路婷婷， 王松嶺， 靳超然

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003)

近幾十年來，空冷技術作為一種新的節水途徑，在我國“富煤缺水”的三北地區逐步發展起來.目前，國內針對空冷島的研究多數集中在分析如何提高空冷島的表面換熱參數[1-3]，而將空冷島與局地環境結合起來的研究較少.就國內而言，將空冷島和環境結合起來的研究主要是關于環境風對空冷島的影響.空冷島運行時產生的熱會排放到大氣環境中，對周圍氣流流動產生一定的影響，加強了豎直方向上各物理量的交換.事實上,不僅環境對空冷島的運行有一定的影響，空冷島的運行也會影響環境.

大氣近地面是大氣邊界層最接近地表的一部分，也是與下墊面有直接作用的氣層，地表與大氣中的物質、能量和熱量交換均通過此氣層.大氣系統中氣流在切變條件下的不穩定性會導致剪切湍流，浮力會造成上下熱對流不穩定，進而導致向湍流過渡[4].垂直風切變、動量和熱量通量是大氣邊界層的底層特性，其變化規律可為研究大氣湍流作參考.王新平等[5]、何文等[6]通過觀測試驗北京城市的下墊面，發現了城市近地層動量通量和熱量通量的變化規律以及潛在的氣候影響.徐祥德等[7]利用GPS加密探空試驗時段資料，結合邊界層鐵塔的綜合觀測資料，分析得出湍流通量的變化對局地降水過程的影響.黃倩等[8]通過野外觀測和數值模擬方法證明風切變的存在會導致對流邊界層高度變高.Lu等[9]在穩定大氣邊界層條件下對非對稱的渦輪機進行數值模擬，發現地表動量通量減小30%，熱量通量也會發生變化，并推測這些變化將會對當地氣候產生影響.Lu等[10]和Rajewski 等[11]對整個風電場進行了數值模擬和觀測研究，發現大型風電場的運行對熱量通量和動量通量有一定影響，且白天的影響更顯著.王學佳等[12]研究了青藏高原地區的平均感熱通量變化的突變特征，并分析了影響高原熱量通量變化的因素以及高原感熱的變化對東南亞夏季風的影響.

筆者利用Gambit軟件建立空冷島模型，采用Fluent軟件對空冷島近地層的流場進行數值模擬，分析不同高度處垂直風切變和湍流通量的變化情況，為研究空冷島運行引起的潛在環境影響提供了一定的指導.

1 模型及計算方法

1.1 模型建立

以某600 MW直接空冷機組所在區域為研究對象，整體空間大小為1 000 m×500 m×500 m，流場區域如圖1所示.基于Rooyen等[13]的相關結論，對空冷島進行簡化，區域大小為70 m×80 m×10 m，空冷島的運行溫度為40 ℃[14]，在空冷島附近設置汽輪機房和鍋爐房.對模型進行網格劃分，采用分塊劃分的方式，對局部區域進行加密，大區域采用相對稀疏的六面體網格，小區域采用相對密集的四面體網格.為驗證網格無關性，對模擬結果進行比較，最后選取網格個數為2.78×106.

圖1 整體流場區域

1.2 控制方程及邊界條件

筆者主要研究局部區域大氣邊界層的湍流流動和換熱過程，因此控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程.計算采用k-ε湍流模型，流項差分采用一階迎風格式，壓力與速度的耦合采用Simple算法.空冷島區域作為一種復雜的下墊面，主要邊界條件為：

(1)入口風速分布.

近地層風速隨高度會發生變化，因此通過UDF設置入口速度，可滿足大氣邊界層函數，即迪肯(Deacon)冪定律：

UZ=U0(Z/10)0.16

(1)

式中：UZ為Z高度處的風速；U0為參考高度處的風速；Z為任意高度.

(2)入口湍動能和湍動能耗散率[15].

(2)

ε=K1.5/(0.2Hy)

(3)

式中：Hy為計算域的最大高度，取值為500 m；K為入口湍動能；ε為湍動能耗散率.

(3)入口溫度分布.

通過UDF設置入口不同的溫度層結.入口溫度為線性分布，近地層溫度隨高度的分布為穩定層結時，溫度隨高度遞增，dT/dz為0.003；溫度隨高度的分布為不穩定層結時，溫度隨高度遞減，dT/dz為-0.003[16].

(4)模型頂部及側面設置為零滑移壁面的對稱邊界，出口為自由出流；底部采用無滑移邊界條件.大氣邊界層對應的地面粗糙高度為0.01 m，溫度為295.15 K.

1.3 風切變指數的計算

垂直風切變指數可更直接地表示大氣邊界層特征.因大氣運動自身特性以及下墊面環境的影響，近地層風速往往隨高度變化，氣流分布呈現不均勻特性，導致風切變特征復雜多樣.

風切變指數的計算公式為：

(4)

式中：α為風切變指數；V2為Z2高度處的風速，其中Z2取為200 m；V1為Z1高度處的風速，其中Z1取為100 m.

1.4 湍流通量的計算

下墊面對大氣邊界層的影響主要包括動量通量和熱量通量2方面.在近地層，單位時間、單位面積內垂直輸送的動量通量和熱量通量分別為：

(5)

H=-ρcpu*T*

(6)

式中：τ為動量通量；H為熱量通量；ρ為大氣密度；cp為空氣比定壓熱容；u*為摩擦速度；T*為溫度尺度.

利用空氣動力學計算湍流通量，在均勻下墊面近地層中，根據Monin-Obukhov相似理論取地面為零平面.垂直方向上風速梯度和溫度梯度分別為：

(7)

(8)

式中：u為全風速；T為溫度；h為地表粗糙元平均高度；k為Karman常數；ΦM、ΦH分別為動量和熱量的通用穩定函數；L為Monin-Obukhov長度；z為距地面的水平高度.

(9)

式中：g為重力加速度.

將式(7)～式(9)代入式(5)和式(6)，得到動量通量和熱量通量：

(10)

(11)

通過模擬可得到不同高度處的風速和溫度分布[17]：

(12)

式中：下標1、2分別表示不同觀測高度處對應的風速或溫度；A表示溫度或風速.

根據Pruitt等[18]可得到ΦM、ΦH與梯度理查德森數Ri的關系，該方法不需迭代求解，計算量小.

當Ri≥0時：

(13)

當Ri<0時：

(14)

(15)

2 計算結果及分析

大氣邊界層位于對流底層，是地球與大氣之間進行物質和能量交換的橋梁，大氣邊界層內湍流交換過程決定了邊界層內各種變量的分布及變化情況，空冷島及周圍的建筑物增加了下墊面的非均勻性，加大了低層大氣的拖曳作用，直接影響到大氣中的特性參數.

2.1 空冷島對風速的影響

圖2為來流風速為3 m/s時下游不同距離的風速云圖.空氣向下游流動，低空低速氣流與高空高速氣流混合，尾流區域與周圍區域的氣流混合，下游的風速衰減隨距離的增大而減小.

圖2 空冷島下游不同距離處的風速云圖

如圖3所示，沿流向取不同高度處的中心線，發現不同高度處空冷島及建筑物對風速的影響不同.在100 m高度處，空冷島及建筑物對風速的影響明顯，空冷島排除的氣流使得下游的風速增大，建筑物對風速也有明顯的阻礙作用，導致風速先迅速減小，隨后緩慢增大.在200 m以上的高空，整個計算區域內空冷島對風速的影響很小，只在空冷島區域風速略微增大，下游風速略有減小.

圖3 不同高度處中心線的風速變化(1)

圖4為100～200 m高度內中心線的風速分布.由圖4可以看出，建筑物對風速的阻礙作用隨高度的增加而逐漸減小，且風速減小的區域逐漸向流場后部移動，在175 m高度處風速減小的區域已超出計算區域，可認為風速減小的區域隨著高度的增加而逐漸后移、減小，最終消失.

圖4 不同高度處中心線的風速變化(2)

2.2 空冷島對溫度的影響

圖5為空冷島下游不同距離處的溫度云圖.由圖5可以看出，隨著氣流向下游延伸，空冷島對溫度的影響逐漸朝橫向縱向擴展，但其影響程度逐漸減弱，在垂直空冷島高度方向上，空冷島對溫度的影響程度也呈減弱趨勢.

圖5 空冷島下游不同距離處的溫度云圖

來流風速為3 m/s時中心線不同高度處的相對溫度分布如圖6所示.在100 m高度處，空冷島對溫度的影響較為明顯，溫度升高近3 K.在200 m高度處，空冷島熱排放對溫度的影響減弱，且影響范圍向下游移動.在300 m和400 m高度處，計算區域范圍內溫度變化不明顯.

圖6 不同高度處中心線的溫度

2.3 空冷島對風切變指數的影響

風切變是一種大氣現象，風切變指數的變化受到風速、溫度和地形等因素的影響，風切變指數還與積云的變化、降雨有很大的關系[19].

來流風速分別為3 m/s和6 m/s時，不同層結條件下風切變指數沿流動方向的變化如圖7所示.由圖7(a)可知，風切變指數有一個較小值，其原因是空冷島導致上下層交換變強；隨后風切變指數有一個較大值，主要是空冷島及建筑物的影響，使得地形起伏不平；風切變指數的總體變化呈先增大后減小的趨勢，說明尾流區域各層之間的湍流交換依然存在.比較不同層結的風切變指數曲線發現，穩定層結的風切變指數幾乎均大于不穩定層結的風切變指數.這是因為白天地表溫度高于大氣溫度，導致湍流加強，層結不穩定，因此風切變指數變小；夜間大氣溫度高于地表溫度，上下層交換減弱，大氣處于穩定層結，因此風切變指數變大.比較圖7(a)和圖7(b)可知，來流風速不同時風切變指數的變化規律基本相似，但是來流風速變大，風切變指數較大值出現的位置向下游移動，這可能是因為風速增大導致建筑物的影響范圍變大.而在不穩定層結條件下風切變指數變大的趨勢不明顯，說明湍流交換不強烈.

(a)來流風速為3 m/s

(b)來流風速為6 m/s

2.4 空冷島對動量通量和熱量通量交換的影響

湍流通量在水平方向的輸送主要由風來完成，且比水平方向的湍流輸送大得多，而湍流通量在垂直方向的輸送主要由湍流輸送來完成，可基于風溫數據計算得出，其中Z1為60 m,Z2為300 m,g為9.8 m/s2,cp為1.008 kJ/(kg·K).

圖8為不同來流風速下有無空冷島運行時動量通量和熱量通量的變化情況.由圖8(a)可知，在空冷島、鍋爐房和汽機房位置處，空冷島運行會導致周圍氣流流動加速，附近動量通量交換增強，單位面積上動量通量的流動增加；風速較大時，空冷島對動量通量的影響較大，對其下游的影響范圍也相對較大，但對距空冷島較遠處影響不大.由圖8(b)可知，空冷島熱排放對熱量通量的影響顯著，由于空冷島與周圍的氣流換熱，導致單位面積上的熱量通量增大.來流風速為3 m/s和6 m/s時，空冷島區域的熱量通量分別為2 071.512 W/m2和1 097.182 W/m2.隨著風速的增大，空冷島的熱排放被氣流迅速帶向下游，這也使得下游的熱量通量略有增大.

(a)動量通量

(b)熱量通量

圖9為不同層結條件下動量通量的變化情況.大氣對豎直運動存在抑制作用，因此穩定層結條件下的動量通量均小于不穩定層結條件下的動量通量.由于空冷島會對氣流產生豎直方向上的擾動，即使在穩定層結條件下，動量通量仍遠大于不穩定層結下其他區域的動量通量.來流風速增大，導致交換增強，故來流風速為6 m/s時動量通量均大于較小風速時的動量通量.

(a) 來流風速為3 m/s

(b) 來流風速為6 m/s

圖10為不同層結條件下熱量通量的變化情況.在穩定層結條件下，溫度隨高度呈遞減趨勢，因此在除空冷島以外區域的熱量通量均為負值.穩定層結條件下的熱量通量均小于不穩定層結下的熱量通量.空冷島的熱排放導致熱量通量明顯增大，即使在穩定層結條件下，空冷島區域的熱量通量也為正值.來流風速增大，導致有一部分熱量被帶到下游，故來流風速較大時，空冷島區域的熱量通量小于風速較小時的熱量通量，而下游的熱量通量略大于風速較小時的熱量通量.

3 結 論

(1)風速增大，風切變指數也略微增大，空冷島附近地形的起伏變化對風切變指數也有影響.

(a) 來流風速為3 m/s

(b)來流風速為6 m/s

(2)空冷島對動量通量和熱量通量的影響沿流向逐漸減小，且相對于不穩定層結，穩定層結條件下的影響較??；即使在穩定層結條件下，空冷島周圍動量通量和熱量通量的變化程度均大于其他區域動量通量和熱量通量的變化程度.

[1] 周蘭欣, 李建波, 李衛華, 等. 直接空冷機組凝汽器加裝下擋風墻的數值模擬[J].動力工程, 2008, 28(5): 744-747, 763.

ZHOU Lanxin, LI Jianbo, LI Weihua, et al. Numerical simulation of direct air cooling units' condenser added lower windbreak[J].JournalofPowerEngineering, 2008, 28(5): 744-747, 763.

[2] 周蘭欣, 崔皓程, 魏春枝. 空冷平臺間距對空冷凝汽器換熱效率的影響[J].動力工程, 2009, 29(8): 765-768,776.

ZHOU Lanxin, CUI Haocheng, WEI Chunzhi. Effects of platform pitch on heat exchange efficiency of air-cooled condenser[J].JournalofPowerEngineering, 2009, 29(8): 765-768, 776.

[3] 楊立軍, 張凱峰, 杜小澤, 等. 空冷凝汽器橢圓翅片橢圓管束外空氣的流動與傳熱特性[J].動力工程, 2008, 28(6): 911-914, 923.

YANG Lijun, ZHANG Kaifeng, DU Xiaoze, et al. Flow and heat transfer characteristics of cooling air outside elliptical tube bundles fixed with elliptical fin in air-cooled condenser[J].JournalofPowerEngineering, 2008, 28(6): 911-914, 923.

[4] 趙松年, 于允賢. 湍流問題十講——理解和研究湍流的基礎[M]. 北京: 科學出版社, 2016.

[5] 王新平, 王琳琳, 高志球, 等. 夏季北京城市大氣邊界層湍流通量的塔層觀測[J].氣候與環境研究, 2008, 13(5): 629-638.

WANG Xinping, WANG Linlin, GAO Zhiqiu, et al. Measurements of atmospheric boundary layer over Beijing area in summer[J].ClimaticandEnvironmentalResearch, 2008, 13(5): 629-638.

[6] 何文, 劉輝志, 馮健武. 城市近地層湍流通量及CO2通量變化特征[J].氣候與環境研究, 2010, 15(1): 21-33.

HE Wen, LIU Huizhi, FENG Jianwu. Characteristics of turbulent fluxes and carbon dioxide flux over urban surface layer[J].ClimaticandEnvironmentalResearch, 2010, 15(1): 21-33.

[7] 徐祥德, 王寅鈞, 趙天良, 等. 高原東南緣大氣近地層湍能特征與邊界層動力、熱力結構相關特征[J].氣象, 2014, 40(10): 1165-1173.

XU Xiangde, WANG Yinjun, ZHAO Tianliang, et al. Relationship between turbulent energy in the near-surface layer and atmospheric boundary layer thermodynamic structure over the southeastern side of Tibetan Plateau[J].MeteorologicalMonthly, 2014, 40(10): 1165-1173.

[8] 黃倩, 王蓉, 田文壽, 等. 風切變對邊界層對流影響的大渦模擬研究[J].氣象學報, 2014, 72(1): 100-115.

HUANG Qian, WANG Rong, TIAN Wenshou, et al. Study of the impacts of wind shear on boundary layer convection based on the large eddy simulation[J].ActaMeteorologicaSinica, 2014, 72(1): 100-115.

[9] LU Hao, FERNANDO P A. Large-eddy simulation of a very large wind farm in a stable atmospheric boundary layer[J].PhysicsofFluids, 2011, 23(6): 1-20.

[10] LU Hao, FERNANDO P A. On the impact of wind farms on a convective atmospheric boundary layer[J].Boundary-LayerMeteorology, 2015, 157(1): 81-96.

[11] RAJEWSKI D A, TAKLE E S, LUNDQUIST J K, et al. Changes in fluxes of heat, H2O, and CO2, caused by a large wind farm[J].AgriculturalandForestMeteorology, 2014, 194: 175-187.

[12] 王學佳, 楊梅學, 萬國寧. 近60年青藏高原地區地面感熱通量的時空演變特征[J].高原氣象, 2013, 32(6): 1557-1567.

WANG Xuejia, YANG Meixue, WAN Guoning. Temporal-spatial distribution and evolution of surface sensible heat flux over Qinghai-Xizang Plateau during last 60 years[J].PlateauMeteorology, 2013, 32(6): 1557- 1567.

[13] van ROOYEN J A, KR?GER D G. Performance trends of an air-cooled steam condenser under windy conditions[J].JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower, 2008, 130(2): 023006.

[14] 顧志福, 陳學銳, 李燕, 等. 大型電廠直冷系統風效應風洞模擬[J].力學學報, 2005, 37(5): 558-563.

GU Zhifu, CHEN Xuerui, LI Yan, et al. Wind tunnel simulation on wind effects on air-cooled condensers of a large power plant[J].ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanics, 2005, 37(5): 558-563.

[15] 武文濤. 城市區域熱環境及建筑排熱影響的模擬及評價[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2008.

[16] 李磊, 張立杰, 張寧, 等. FLUENT在復雜地形風場精細模擬中的應用研究[J].高原氣象, 2010, 29(3): 621-628.

LI Lei, ZHANG Lijie, ZHANG Ning, et al. Application of FLUENT on the fine-scale simulation of the wind field over complex terrain[J].PlateauMeteorology, 2010, 29(3): 621-628.

[17] VERMA S B, ROSENBERG N J, BLAD B L. Turbulent exchange coefficients for sensible heat and water vapor under advective conditions[J].JournalofAppliedMeteorology, 1978, 17(3): 330-338.

[18] PRUITT W O, MORGAN D L, LOURENCE F J. Momentum and mass transfers in the surface boundary layer[J].QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety, 1973, 99(420): 370-386.

[19] 徐華英, 吉武勝, 黃美元. 風切變對積云發展影響的數值模擬研究[J].大氣科學, 1988, 12(4): 405-411.

XU Huaying, JI Wusheng, HUANG Meiyuan. Numerical simulation of the effects of vertical wind shear on the development of cumulus clouds[J].ScientiaAtmosphericaSinica, 1988, 12(4): 405-411.