采用数值与物理风洞确定烟塔合一类项目环境防护距离

朱明奕，张晓旭，李志强，吴岳，刘玲，李雨蒙

(1.天津市环境工程评估中心，天津 300191；2.天津市环境保护科学研究院，天津 300191；3.天津市大气污染防治重点实验室，天津 300191；4.天津环科瞻云科技发展有限公司，天津 300191)



采用数值与物理风洞确定烟塔合一类项目环境防护距离

朱明奕1，张晓旭2,3,4，李志强2,3,4，吴岳2,3,4，刘玲2,3,4，李雨蒙2,3,4

(1.天津市环境工程评估中心，天津 300191；2.天津市环境保护科学研究院，天津 300191；3.天津市大气污染防治重点实验室，天津 300191；4.天津环科瞻云科技发展有限公司，天津 300191)

烟塔合一排烟方式具有很多独特的优势。由于该排烟方式原理较为复杂，所以很难确定烟塔合一类项目的环境防护距离。研究采用数值风洞与物理风洞方法预测冷却塔下风向空腔区范围，同时采用数值风洞预测冷却塔下风向酸沉降范围。预测结果表明，采用数值风洞与物理风洞方法所预测的冷却塔空腔区范围基本一致，数值风洞预测的酸沉降范围小于空腔区范围，可以根据空腔区范围确定烟塔合一防护距离。因此，采用数值风洞与物理风洞两种模式预测冷却塔空腔区的范围是必要且可行的，可以为烟塔合一类项目环境防护距离的制定提供依据。

烟塔合一；数值风洞；物理风洞；环境防护距离

烟塔合一排烟方式具有很大的环保优势，因此近几年国内涌现出很多烟塔合一类电厂项目。但烟塔合一类项目运行时在冷却塔背风面会产生空腔区，当污染物卷入空腔区，会使地面浓度升高，所以一般都采用空腔区水平尺寸作为设置防护距离的依据。另外，冷却塔近距离范围内过饱和水蒸气量较大，会产生“下雨”现象，排烟冷却塔水蒸气和烟气混合后凝结成雾滴的过程中，会溶解烟气中的部分SO2，从而造成雾滴pH值下降，对近距离建筑和土壤都带来一定程度的影响，所以确定防护距离也要考虑到酸性物质沉降范围的因素[1]。由于烟塔合一类项目的排烟模式原理较为复杂，尚无可靠的预测方法确定环境防护距离。目前多采用Austal2000模拟冷却塔排烟问题，但该模型很难模拟出空腔区尺寸，也无法考虑酸性物质沉降情况[2]。目前常用于此类数值模拟研究的模型包括CALPUFF、AERMOD、WRF3、MM5、大涡模拟方法等[3]。这些模式无法计算湿冷塔排烟问题，且无法准确模拟近距离的湍流扩散影响，而物理风洞与数值风洞可以解决以上问题。

物理风洞，即物理风洞实验，指在风洞中安置排烟冷却塔和其他建筑模型，在满足相似性准则的前提下，模拟流场及污染物浓度场分布和变化的实验方法。数值风洞，即以计算流体力学、热力学理论为基础[4]，选择合适的物理模型，构建包含大气边界层、构建筑物、热交换、污染物状态的烟塔合一排烟预测模型，再结合相应的数值算法，对研究区域内的压力场、流场及污染物浓度分布场进行耦合求解的模型方法。数值风洞除计算空腔区范围外，还可以通过UDF编程，计算酸沉降产生范围[5]。

本文尝试采用数值风洞、物理风洞方法对某烟塔合一项目近距离大气环境质量产生的影响进行预测，以确定烟塔合一类项目的大气环境防护距离。

1 数值风洞计算

由于烟塔合一的环境影响受到气象、地形、排放方式的影响，加之确定和预测该技术对环境的影响涉及流体力学、热力学、环境科学、计算数学等多学科、多领域，加大了分析的难度。所以采用计算流体力学(CFD)为平台，计算不同气象条件和排烟方式下冷却塔周边的流场、压力场和污染物浓度场。

1.1 评价及预测范围

(1)评价范围

水平方向评价范围为污染源下风向1 km范围内高于5 m的所有建筑物的最远距离。垂直方向评价范围为地面至最高建筑物高度的距离。

(2)预测范围

计算区域顶部高度沿评价范围延伸平均高度的3倍距离，侧面沿评价范围延伸平均高度3倍距离，来流方向沿评价范围延伸平均高度的5倍距离，尾流出流方向沿评价范围延伸平均高度的10倍距离[6]。计算结果表明，预测范围所设置的距离基本可以保证计算结果接近实际。

1.2 计算模型

(1)模型的建立及网格的划分

利用三维建模软件UG建立冷却塔模型，通过布尔运算，得到冷却塔排烟模型的计算域模型。利用网格划分软件ICEM对计算域进行网格划分。对冷却塔内壁、外壁进行网格加密。

(2)计算边界条件的处理

基于FLUENT软件进行数值模拟，确定出合理的边界条件是计算的关键。为了使模拟的情况接近现实，对项目所在地的气象统计参数进行分析，地面粗糙度等参数根据项目所在地2 km范围内的情况设置，来流梯度风则根据风廓线相关参数设置。

关于出口流体风环境，流体在经过冷却塔之后，流体风速和流动方向已经发生改变，在出口边界上还有空气大气压存在，相对于整个区域内，流体处在一种没有气压的状态，因此认为出流为正常流动，流域的3个侧面和上空面共4个面都设置为自由滑移表面。流体流动确定为无建筑物阻碍的正常流动，在出口相对压力为零，计算时设置为Outflow，以自由出流为主。

(3)空腔区的模拟计算

进流边界取大气边界层风速剖面速度为入口边界条件，出口采用自然出流，建筑物边界采用壁面无滑移边界条件。根据边界层参数试验的结果进行UDF编程，并嵌入FLUENT内进行大气边界条件温度、风速、湿度的设置。

1.3 计算结果

(1)空腔区计算结果

空腔区计算结果如图1所示。根据本文计算的大气防护距离结果，该冷却塔下风向空腔区高220 m，其长度和宽度随高度变化，冷却塔地面空腔区长度为400 m左右。

图1 湍流分布Fig.1 Turbulent distribution

(2)酸沉降范围计算结果

2 物理风洞计算

2.1 参数设置

坐标系定义：X轴正方指向下风向，Z轴垂直向上，Y轴垂直于风向，与X、Z轴组成右手坐标系。坐标轴的原点根据模型位置的不同有不同的定义。

物理风洞试验中单次采样时间为4 s，采样频率为1000 Hz。为消除时间尺度大于4 s的脉动对湍流测量数据的影响，在每一种工况条件下，对每一个采样点重复采样12次，取其统计平均值作为该点在该工况下的湍流强度代表值。实验模型如图2所示。

图2 实验模型Fig.2 The experimental model

2.2 实验结果

考虑到气流流过冷却塔时会产生卡门涡街，而这些湍涡在向下游传递过程中会逐渐衰减，最后融入背景湍流中。冷却塔的空腔区就是通过对一定时间内卡门涡街的统计平均，由高于背景湍流强度一定程度的区域来定义。根据物理风洞实验结果，该冷却塔下风向空腔区高208 m左右，其长度和宽度随高度变化，冷却塔地面空腔区长度达到的最大值为350 m左右。

3 设定环境防护距离

由于烟塔体积很大，阻挡了上风气流，在烟塔背风侧形成一定程度的负压区，称作空气动力空腔区，有吸引排气口高浓度烟气的效应。空腔区的最大水平尺度可以作为计算烟塔大气环境防护距离的依据。由于空腔区内烟塔排放的大气污染物浓度可明显超过空气质量标准，因此当空腔区水平尺度超过厂界时，必须设置大气环境防护距离。

根据数值风洞与物理风洞分析结果，数值风洞计算得到的空腔区长度为400 m、高度为220 m，物理风洞计算得到的空腔区长度为350 m、高度为208 m，空腔区范围在下风向400 m以内；冷却塔下风向近距离存在酸沉降问题，主要影响范围基本上集中于距离塔心100～300 m处，在空腔区范围以内。因此，按物理风洞和数值风洞模拟结果分析，可以将烟塔底座边缘400 m范围以内的区域设置为环境防护距离。为了安全起见，可以根据实际情况适当扩大环境防护距离。

4 结论

采用数值风洞与物理风洞结合的方法可以很好地对烟塔合一类项目排放污染物浓度、空腔区大小、湿度大小等参数进行预测和实验。对于本算例而言，数值风洞计算空腔区长度为400 m、高度为220 m，物理风洞计算空腔区长度为350 m、高度为208 m。

采用数值风洞与物理风洞计算出的烟塔空腔区范围基本一致，数值风洞计算出的空腔区范围略大于物理风洞试验结果。数值风洞除可以计算出烟塔下风向空腔区范围以外，还可以计算出烟塔下风向湿沉降范围。总的来说，两种方法可以互相补充，作为制定烟塔合一类项目防护距离的依据。

[1] 张丽娜, 赵林, 陈璐, 等. 数值风洞与物理风洞对烟塔合一排烟的比较研究[J]. 环境科学与技术, 2013, 36(5): 141- 146.

[2] 莫华. 探讨“烟塔合一”技术在环评中大气环境的防护距离[J]. 环境保护科学, 2010, 36(6): 39- 41.

[3] Villiers E De, Kroger D G. Analysis of heat, mass, and momentum transfer in the rain zone of counterflow cooling towers[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1999, 121 (4): 751- 755.

[4] 王占山, 潘丽波, 李云婷, 等. 火电厂大气污染物排放标准对区域酸沉降影响的数值模拟[J]. 中国环境科学, 2014, 34(9): 2420- 2429.

[5] 孟凤鸣. 冷却塔影响评价技术分析[J]. 环境科学与管理, 2018, 33(11): 182- 186.

[6] 袁国栋. 天津高层住宅小区平面规划布局风效应研究[D]. 天津: 天津大学, 2012：22.

[7] 张丽娜. 采用数值风洞模型对热电厂烟塔合一大气污染扩散的研究[J]. 环境污染与防治, 2013, 35(4): 67- 74.

[8] 李志强, 刘炳江, 周阳, 等. 利用fluent模型对烟塔合一大气污染扩散数值风洞研究[C]//2011中国环境科学学会学术年会论文集(第二卷). 2011.

Buffer Zone of Natural Draft Cooling Towers(NDCT) with Flue Gas Injection by Numerical Wind Tunnel and Physical Wind Tunnel

ZHU Ming-yi1, ZHANG Xiao-xu2,3,4, LI Zhi-qiang2,3,4, WU Yue2,3,4, LIU Ling2,3,4, LI Yu-meng2,3,4

(1.Tianjin Environmental Engineering Evaluation Center, Tianjin 300191, China; 2.Tianjin Environmental Science Academy, Tianjin 300191, China; 3.Tianjin Key Laboratory for Air Pollution Control, Tianjin 300191, China; 4.Tianjin Huanke Zhanyun Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300191, China)

Natural Draft Cooling Towers (NDCT) with flue gas injection has many unique advantages, but due to its complexity, it is difficult to identify its buffer zone. In this paper,the area of cavity near the cooling towers is studied by numerical wind tunnel and physical wind tunnel, and the area of acid deposition is predicted by the numerical wind tunnel as well. Results showed that the precipitation areas of two modes were almost the same, while the area of acid deposition was usually smaller than that of cavity. Therefore, the study concludes that it is necessary and feasible to predict the air cavity of cooling towers by both the two tunnels. The study can provide references for identifying the buffer zone of NDCT.

natural draft cooling towers with flue gas injection; numerical wind tunnel; physical wind tunnel; buffer zone

2016-12-12

天津市环境保护科学研究院院长基金资助项目(YZJJ-2015-005)；天津市自然科学基金应用基础重点项目(13JCZDJC36100)；天津市环境保护科学研究院院长基金资助项目(YZJJ-2015-001)

朱明奕(1982—)，男，工程师，硕士，主要从事火电、冶金、化工石化医药项目环境影响评价文件技术评估工作，E-mail：4465397@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.04.013

X823

A

2095-6444(2017)04-0057-03