[发明专利]基于表面式凝汽器数值模拟汽水两侧耦合的方法

说明书

本发明公开了一种基于表面式凝汽器数值模拟汽水两侧耦合的方法，包括步骤1，管侧三维模型建立及网格划分；步骤2，壳侧二维模型建立及网格划分；步骤3，确定壳侧网格单元的水速：步骤31，建立管侧网格的相对坐标系；步骤32，建立壳侧网格的相对坐标；步骤33，设定距离初始阈值dd1；步骤34，第j个壳侧网格与管侧网格的坐标关联；步骤35，确定壳侧网格的水速：对三个最小距离差值dd所对应的管侧网格单元的三个水速值，采用拉格朗日插值计算方法，得到第j个壳侧网格单元的水速；步骤36，剩余壳侧网格与管侧网格的坐标关联。本发明利用数值计算方法将管侧网格中心点水速布置到壳侧网格中去，以便壳侧模型后续更为精准的模拟其流场与温度场。

技术领域

本发明涉及凝汽器数值模拟领域，特别是一种基于表面式凝汽器数值模拟汽水两侧耦合的方法。

背景技术

凝汽器是电厂重要的辅机设备之一，其作用主要是回收工质并且建立真空，凝汽器真空的好坏直接影响到汽轮机组的热效率，对于600MW机组来说，真空下降1％，热耗量增加0.05％，少发电约306KW。因此，研究凝汽器的工作性能，改善内部传热条件，以提高机组运行的热效率，是十分具有意义的。

表面式凝汽器，内部包含进出口水室以及数以千计的换热管束，冷却水依次流经进口水室、换热管束和出口水室，在管束换热区完成与壳侧的热量传递过程。凝汽器的研究方法主要有实验法和数值模拟法两种。传统的实验法是利用了相似原理进行模型建造与测试，建造过程中无疑会耗费大量的人力、精力与时间，并且这种方法无法准确的模拟凝汽器各处汽水混合物的流动情况。随着计算机技术的发展，研究者们越来越倾向于使用高端的计算软件模拟研究凝汽器的内部流场、温度场的分布，凝汽器的数值模型也从原来的一维，扩展到二维、准三维甚至三维。这得益于1974年Pantankar、Spalding提出的多孔介质概念，把流体在成千上万管束区的流动等效成流体在多孔介质中的流动，并且利用分布质量汇与分布阻力的方法计算蒸汽在管束区的凝结问题、以及流动遇到的阻力问题。多孔介质方法的推广，替代了原有的试验法，极大减少了建模时间和计算时间。

然而到目前为止，由于如下原因，均需从管侧与壳侧分别建模、分析：

1、多孔介质无法同时流过两种互不混合的流体，因而无法同时模拟管壳式的凝汽器中管侧与壳侧热交换环节。

2、大部分学者认为凝汽器壳侧是建立真空的最直接、亦是流动最为复杂的环节，而往往忽视凝汽器管侧对壳侧流动换热的影响。

凝汽器在实际的运行过程中，壳侧与管侧是双向耦合的过程，管侧流动对壳侧流场有影响；壳侧的凝结放热也会导致管侧温度的升高。对于二维壳侧模型，不考虑沿着轴向变化冷却水温度之间相互影响，而仅仅考虑进口冷却水温度对其热力性能的作用，这部分问题已在众多文献中得到解决。凝汽器管侧进口水室复杂的流场是导致冷却水水速分布不均匀的主要原因，即水管流速可能会偏离设计水速。水速越高，管侧冷却水对流放热系数越大，相应的壳侧、管侧总传热热阻减少，局部传热系数可能会增加，而凝汽器壳侧的热负荷由多种因素共同决定，包括传热端差、气膜热阻、水膜热阻等等。因此在凝汽器运行工况下中可能出现这样的问题：冷却水流量大的区域蒸汽凝结的热负荷反而低，该部分冷却水出口温度低于平均出口温度，亦可能导致总体冷却水出口温度低于汽水混合物的凝结温度，产生虚假传热端差，凝汽器传热性能变差。

综上所述，在凝汽器壳侧的数值模拟过程中考虑管侧整体性能是有必要的。而实际模拟过程中如何解决汽水两侧数据耦合的问题也是一个棘手的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于表面式凝汽器数值模拟汽水两侧耦合的方法，该基于表面式凝汽器数值模拟汽水两侧耦合的方法能有效解决凝汽器壳侧、管侧在分别建模模拟的过程中，二维壳侧模拟耦合管侧水速的问题，利用数值计算方法将管侧网格中心点的水速布置到壳侧网格中去，以便壳侧模型在后续更为精准的模拟其流场与温度场。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：