空冷岛对底层大气边界层特性的影响

吴正人， 路婷婷， 王松岭， 靳超然

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

近几十年来，空冷技术作为一种新的节水途径，在我国“富煤缺水”的三北地区逐步发展起来.目前，国内针对空冷岛的研究多数集中在分析如何提高空冷岛的表面换热参数[1-3]，而将空冷岛与局地环境结合起来的研究较少.就国内而言，将空冷岛和环境结合起来的研究主要是关于环境风对空冷岛的影响.空冷岛运行时产生的热会排放到大气环境中，对周围气流流动产生一定的影响，加强了竖直方向上各物理量的交换.事实上,不仅环境对空冷岛的运行有一定的影响，空冷岛的运行也会影响环境.

大气近地面是大气边界层最接近地表的一部分，也是与下垫面有直接作用的气层，地表与大气中的物质、能量和热量交换均通过此气层.大气系统中气流在切变条件下的不稳定性会导致剪切湍流，浮力会造成上下热对流不稳定，进而导致向湍流过渡[4].垂直风切变、动量和热量通量是大气边界层的底层特性，其变化规律可为研究大气湍流作参考.王新平等[5]、何文等[6]通过观测试验北京城市的下垫面，发现了城市近地层动量通量和热量通量的变化规律以及潜在的气候影响.徐祥德等[7]利用GPS加密探空试验时段资料，结合边界层铁塔的综合观测资料，分析得出湍流通量的变化对局地降水过程的影响.黄倩等[8]通过野外观测和数值模拟方法证明风切变的存在会导致对流边界层高度变高.Lu等[9]在稳定大气边界层条件下对非对称的涡轮机进行数值模拟，发现地表动量通量减小30%，热量通量也会发生变化，并推测这些变化将会对当地气候产生影响.Lu等[10]和Rajewski 等[11]对整个风电场进行了数值模拟和观测研究，发现大型风电场的运行对热量通量和动量通量有一定影响，且白天的影响更显著.王学佳等[12]研究了青藏高原地区的平均感热通量变化的突变特征，并分析了影响高原热量通量变化的因素以及高原感热的变化对东南亚夏季风的影响.

笔者利用Gambit软件建立空冷岛模型，采用Fluent软件对空冷岛近地层的流场进行数值模拟，分析不同高度处垂直风切变和湍流通量的变化情况，为研究空冷岛运行引起的潜在环境影响提供了一定的指导.

1 模型及计算方法

1.1 模型建立

以某600 MW直接空冷机组所在区域为研究对象，整体空间大小为1 000 m×500 m×500 m，流场区域如图1所示.基于Rooyen等[13]的相关结论，对空冷岛进行简化，区域大小为70 m×80 m×10 m，空冷岛的运行温度为40 ℃[14]，在空冷岛附近设置汽轮机房和锅炉房.对模型进行网格划分，采用分块划分的方式，对局部区域进行加密，大区域采用相对稀疏的六面体网格，小区域采用相对密集的四面体网格.为验证网格无关性，对模拟结果进行比较，最后选取网格个数为2.78×106.

图1 整体流场区域

1.2 控制方程及边界条件

笔者主要研究局部区域大气边界层的湍流流动和换热过程，因此控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程.计算采用k-ε湍流模型，流项差分采用一阶迎风格式，压力与速度的耦合采用Simple算法.空冷岛区域作为一种复杂的下垫面，主要边界条件为：

(1)入口风速分布.

近地层风速随高度会发生变化，因此通过UDF设置入口速度，可满足大气边界层函数，即迪肯(Deacon)幂定律：

UZ=U0(Z/10)0.16

(1)

式中：UZ为Z高度处的风速；U0为参考高度处的风速；Z为任意高度.

(2)入口湍动能和湍动能耗散率[15].

(2)

ε=K1.5/(0.2Hy)

(3)

式中：Hy为计算域的最大高度，取值为500 m；K为入口湍动能；ε为湍动能耗散率.

(3)入口温度分布.

通过UDF设置入口不同的温度层结.入口温度为线性分布，近地层温度随高度的分布为稳定层结时，温度随高度递增，dT/dz为0.003；温度随高度的分布为不稳定层结时，温度随高度递减，dT/dz为-0.003[16].

(4)模型顶部及侧面设置为零滑移壁面的对称边界，出口为自由出流；底部采用无滑移边界条件.大气边界层对应的地面粗糙高度为0.01 m，温度为295.15 K.

1.3 风切变指数的计算

垂直风切变指数可更直接地表示大气边界层特征.因大气运动自身特性以及下垫面环境的影响，近地层风速往往随高度变化，气流分布呈现不均匀特性，导致风切变特征复杂多样.

风切变指数的计算公式为：

(4)

式中：α为风切变指数；V2为Z2高度处的风速，其中Z2取为200 m；V1为Z1高度处的风速，其中Z1取为100 m.

1.4 湍流通量的计算

下垫面对大气边界层的影响主要包括动量通量和热量通量2方面.在近地层，单位时间、单位面积内垂直输送的动量通量和热量通量分别为：

(5)

H=-ρcpu*T*

(6)

式中：τ为动量通量；H为热量通量；ρ为大气密度；cp为空气比定压热容；u*为摩擦速度；T*为温度尺度.

利用空气动力学计算湍流通量，在均匀下垫面近地层中，根据Monin-Obukhov相似理论取地面为零平面.垂直方向上风速梯度和温度梯度分别为：

(7)

(8)

式中：u为全风速；T为温度；h为地表粗糙元平均高度；k为Karman常数；ΦM、ΦH分别为动量和热量的通用稳定函数；L为Monin-Obukhov长度；z为距地面的水平高度.

(9)

式中：g为重力加速度.

将式(7)～式(9)代入式(5)和式(6)，得到动量通量和热量通量：

(10)

(11)

通过模拟可得到不同高度处的风速和温度分布[17]：

(12)

式中：下标1、2分别表示不同观测高度处对应的风速或温度；A表示温度或风速.

根据Pruitt等[18]可得到ΦM、ΦH与梯度理查德森数Ri的关系，该方法不需迭代求解，计算量小.

当Ri≥0时：

(13)

当Ri<0时：

(14)

(15)

2 计算结果及分析

大气边界层位于对流底层，是地球与大气之间进行物质和能量交换的桥梁，大气边界层内湍流交换过程决定了边界层内各种变量的分布及变化情况，空冷岛及周围的建筑物增加了下垫面的非均匀性，加大了低层大气的拖曳作用，直接影响到大气中的特性参数.

2.1 空冷岛对风速的影响

图2为来流风速为3 m/s时下游不同距离的风速云图.空气向下游流动，低空低速气流与高空高速气流混合，尾流区域与周围区域的气流混合，下游的风速衰减随距离的增大而减小.

图2 空冷岛下游不同距离处的风速云图

如图3所示，沿流向取不同高度处的中心线，发现不同高度处空冷岛及建筑物对风速的影响不同.在100 m高度处，空冷岛及建筑物对风速的影响明显，空冷岛排除的气流使得下游的风速增大，建筑物对风速也有明显的阻碍作用，导致风速先迅速减小，随后缓慢增大.在200 m以上的高空，整个计算区域内空冷岛对风速的影响很小，只在空冷岛区域风速略微增大，下游风速略有减小.

图3 不同高度处中心线的风速变化(1)

图4为100～200 m高度内中心线的风速分布.由图4可以看出，建筑物对风速的阻碍作用随高度的增加而逐渐减小，且风速减小的区域逐渐向流场后部移动，在175 m高度处风速减小的区域已超出计算区域，可认为风速减小的区域随着高度的增加而逐渐后移、减小，最终消失.

图4 不同高度处中心线的风速变化(2)

2.2 空冷岛对温度的影响

图5为空冷岛下游不同距离处的温度云图.由图5可以看出，随着气流向下游延伸，空冷岛对温度的影响逐渐朝横向纵向扩展，但其影响程度逐渐减弱，在垂直空冷岛高度方向上，空冷岛对温度的影响程度也呈减弱趋势.

图5 空冷岛下游不同距离处的温度云图

来流风速为3 m/s时中心线不同高度处的相对温度分布如图6所示.在100 m高度处，空冷岛对温度的影响较为明显，温度升高近3 K.在200 m高度处，空冷岛热排放对温度的影响减弱，且影响范围向下游移动.在300 m和400 m高度处，计算区域范围内温度变化不明显.

图6 不同高度处中心线的温度

2.3 空冷岛对风切变指数的影响

风切变是一种大气现象，风切变指数的变化受到风速、温度和地形等因素的影响，风切变指数还与积云的变化、降雨有很大的关系[19].

来流风速分别为3 m/s和6 m/s时，不同层结条件下风切变指数沿流动方向的变化如图7所示.由图7(a)可知，风切变指数有一个较小值，其原因是空冷岛导致上下层交换变强；随后风切变指数有一个较大值，主要是空冷岛及建筑物的影响，使得地形起伏不平；风切变指数的总体变化呈先增大后减小的趋势，说明尾流区域各层之间的湍流交换依然存在.比较不同层结的风切变指数曲线发现，稳定层结的风切变指数几乎均大于不稳定层结的风切变指数.这是因为白天地表温度高于大气温度，导致湍流加强，层结不稳定，因此风切变指数变小；夜间大气温度高于地表温度，上下层交换减弱，大气处于稳定层结，因此风切变指数变大.比较图7(a)和图7(b)可知，来流风速不同时风切变指数的变化规律基本相似，但是来流风速变大，风切变指数较大值出现的位置向下游移动，这可能是因为风速增大导致建筑物的影响范围变大.而在不稳定层结条件下风切变指数变大的趋势不明显，说明湍流交换不强烈.

(a)来流风速为3 m/s

(b)来流风速为6 m/s

2.4 空冷岛对动量通量和热量通量交换的影响

湍流通量在水平方向的输送主要由风来完成，且比水平方向的湍流输送大得多，而湍流通量在垂直方向的输送主要由湍流输送来完成，可基于风温数据计算得出，其中Z1为60 m,Z2为300 m,g为9.8 m/s2,cp为1.008 kJ/(kg·K).

图8为不同来流风速下有无空冷岛运行时动量通量和热量通量的变化情况.由图8(a)可知，在空冷岛、锅炉房和汽机房位置处，空冷岛运行会导致周围气流流动加速，附近动量通量交换增强，单位面积上动量通量的流动增加；风速较大时，空冷岛对动量通量的影响较大，对其下游的影响范围也相对较大，但对距空冷岛较远处影响不大.由图8(b)可知，空冷岛热排放对热量通量的影响显著，由于空冷岛与周围的气流换热，导致单位面积上的热量通量增大.来流风速为3 m/s和6 m/s时，空冷岛区域的热量通量分别为2 071.512 W/m2和1 097.182 W/m2.随着风速的增大，空冷岛的热排放被气流迅速带向下游，这也使得下游的热量通量略有增大.

(a)动量通量

(b)热量通量

图9为不同层结条件下动量通量的变化情况.大气对竖直运动存在抑制作用，因此稳定层结条件下的动量通量均小于不稳定层结条件下的动量通量.由于空冷岛会对气流产生竖直方向上的扰动，即使在稳定层结条件下，动量通量仍远大于不稳定层结下其他区域的动量通量.来流风速增大，导致交换增强，故来流风速为6 m/s时动量通量均大于较小风速时的动量通量.

(a) 来流风速为3 m/s

(b) 来流风速为6 m/s

图10为不同层结条件下热量通量的变化情况.在稳定层结条件下，温度随高度呈递减趋势，因此在除空冷岛以外区域的热量通量均为负值.稳定层结条件下的热量通量均小于不稳定层结下的热量通量.空冷岛的热排放导致热量通量明显增大，即使在稳定层结条件下，空冷岛区域的热量通量也为正值.来流风速增大，导致有一部分热量被带到下游，故来流风速较大时，空冷岛区域的热量通量小于风速较小时的热量通量，而下游的热量通量略大于风速较小时的热量通量.

3 结 论

(1)风速增大，风切变指数也略微增大，空冷岛附近地形的起伏变化对风切变指数也有影响.

(a) 来流风速为3 m/s

(b)来流风速为6 m/s

(2)空冷岛对动量通量和热量通量的影响沿流向逐渐减小，且相对于不稳定层结，稳定层结条件下的影响较小；即使在稳定层结条件下，空冷岛周围动量通量和热量通量的变化程度均大于其他区域动量通量和热量通量的变化程度.

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