机械通风直接空冷系统噪声预测与分析

崔超，赵允涛，黄文慧，杨立军

（1．中国大唐集团科技工程有限公司，北京市 海淀区 100097；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区 102206）

0 引言

直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽通过翅片管束进行热交换。直接空冷系统具有结构简单、占地面积小、调节灵活、投资较低等特点，为严重缺水的煤矿和电力负荷中心区域建设大型火电厂开辟了一条经济、安全、可靠的途径，因此在世界上获得了快速发展[1]。我国直接空冷技术是在北方富煤缺水、气候寒冷、昼夜温差大的地区应用并发展起来的[2]。由于直接空冷系统采用的是机械通风的方式，需要使用数十台大型轴流风机，因此其在大量节约电厂用水的同时增加了电厂的噪声水平。噪声不仅严重影响生产环境和现场运行人员的身心健康，也影响了厂区周围的环境[3]，对新建项目的风机群所引起的噪声的控制治理，已经成为环保机关审批的关键指标[4]。为研究直接空冷风机特性，张辉等[5]通过模拟得到了直冷空冷风机的入口空气流动特性，水海波等[6]研究了直接空冷系统空冷单元内部的空气动力学特性。很多学者对轴流风机以及系统噪声也做了大量的研究工作。潘虹宇等[7]在保持风机直径不变的条件下，利用叶型加弯方法改造叶型，得到气动性能基本不变、噪声降低的风机模型。孙迎浩等[8]对改进前后的弯掠叶片轴流风机的气动与噪声性能进行了模拟和实验，孙扬智等[9]分析了轴流风机气动噪声的分布规律以及其随风机的转速和半径的变换规律。方开祥等[10]利用Fluent计算流体软件对风机的三维流场进行模拟以及风机噪声进行预估。梁冬青[11]和郭欣[12]分别阐述了空冷风机和直接空冷系统的主要噪声源及机理，并提出了降噪措施。

本文采用计算流体力学软件 Fluent，对直冷空冷单元和流场进行了模拟和噪声预测，并对5×6规模的空冷岛进行了流场模拟以及噪声预估，并模拟了增加降噪措施后的空冷岛的流场及声压级噪声，分析比较了空冷岛热力性能以及声压级噪声的变化。

1 物理模型及网格划分

本文主要研究的是直接空冷单元和5×6规模的直接空冷系统。以实际直接空冷系统几何结构参数为模型，利用专业的画图软件Gambit进行三维物理模型建模以及网格划分等前处理工作。图1为直冷单元模型，主要包括蒸汽管道、换热翅片管束、风机等。其中风机选择的是Φ 9.144 m的空冷常用风机，模型中采用实际风机模型。空冷岛的模型如图2所示，由5×6规模的空冷单元组成，模型中的换热翅片管束和风机均简化为了面。模型中建立了足够大的计算域，以消除边界的影响。为研究降噪措施的效果，建立了如图 3所示的增加了消音墙的空冷岛模型，即挡风墙的内侧增加了一层多孔介质。

为保证计算过程的可靠性和减少计算时间，直冷单元的主体部分和空冷岛部分均采用适应性较强的非结构化四面体网格，其他部分采用的是结构化的六面体网格，如图4所示，且主体部分的网格细密，并以此为中心向外的网格越来越稀疏。

图1 直冷单元模型Fig. 1 Model of direct air cooling cell

图2 传统空冷岛模型Fig. 2 Conventional model of ACCs

图3 加消音墙空冷岛模型Fig. 3 Model of ACCs with the noise reduction wall

2 数学模型及数值方法

气动噪声的计算大体上可以分为两大步：首先通过流场计算，求出满足时间精度要求的各相关变量(压强、速度和密度)在音源曲面上的变化过程；然后利用求出的音源数据计算声音接收点处的声音压强信号。

Fluent中使用FW-H方程模拟声音的产生与传播。Fluent采用在时间域上积分的办法，在接收声音的位置上，用两个面积分直接计算声音信号的历史。积分中需要用到的流场变量包括压强、速度分量和音源曲面的密度等等，这些变量的解在时间方向上必须满足一定的精度要求。满足时间精度要求的解可以通过求解非定常雷诺平均方程(URANS)获得，也可以通过大涡模拟(large eddy si mulation，LES)或分离涡模拟(detached eddy simulation，DES)获得。

图4 网格划分Fig. 4 Schematic of mesh

大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。音源表面既可以是固体壁面，也可以是流场内部的一个曲面。噪音的频率范围取决于流场特征、湍流模型和流场计算中的时间尺度。

本文在数值计算过程中，将空气认为是不可压缩理想流体，流动为湍流流动，流体在固体壁面上没有滑移。在直冷单元的模拟中，流场模拟紊流模型采用RNG k-ε模型，稳态、隐式、非耦合求解，压力-速度的耦合处理采用 SIMPLE算法，将非定常问题用定常方法来进行计算。由于模型中存在旋转区域，它的边界包含静边界和动边界，因此将整个计算区域划分成旋转流体区和非旋转流体区。两者之间的耦合采用移动参考坐标系(moving reference frame，MRF)模型。空冷单元模型中换热部分简化为长方体，设置为多孔介质模型，其出口面设置为 radiator条件，风机转速设置为79 r/min。空冷岛模型中，轴流风机简化为面，设置为 fan类型，根据风机性能曲线图来设置风机参数，将换热翅片管束简化为面，设置为 radiator模型，将空冷岛四周的挡风墙设置为wall。消音墙设置为多孔介质，厚度为10 cm，孔隙率设置为0.9。

在气动噪声的计算过程中，采用的是非稳态隐式求解，紊流模型采用 LES大涡模型，采用PISO算法，在稳态计算稳定后采用非稳态算法，得到稳定的动态压力场，在此基础上利用 Fluent中的声学模块FW&H模型进行噪声模拟计算。

LES的控制方程是对Navier-Stokes方程在波数空间或者物理空间进行过滤得到的。过滤的过程是去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，从而得到大涡旋的控制方程。

目前，大涡模拟对不可压流动问题得到较多应用，但在可压缩问题中的应用还很少，因此这里涉及的理论都是针对不可压流动的大涡模拟方法。在Fluent中，大涡模拟只能针对不可压流体(当然并非说是密度是常数)的流动。

2.1 控制方程

空气稳态流动传热过程中的控制方程可表示为

式中：ρ为密度；uj为xj方向的速度分量；φ、Γφ、Sφ代表控制变量、扩散系数及源项。各变量在通用控制方程中的表达式在表1中列出。

2.2 LES 模型

LES的控制方程是对Navier-Stokes方程在波数空间或者物理空间进行过滤得到的。过滤的过程是去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，从而得到大涡旋的控制方程。过滤不可压的Navier-Stokes方程后，可以得到LES控制方程：

表1 通用控制方程中变量的表达式Tab. 1 Variable expressions in the generic governing equation

式中：τij为亚网格应力，MPa；ρ为流体密度，kg/m3；ui，uj为速度分量，m/s；t为时间，s；xj为长度分量，m

很明显，上述方程与雷诺平均方程很相似，只不过大涡模拟中的变量是过滤过的量，而非时间平均量，并且湍流应力也不同。

2.3 FW&H 模型

Fluent中用 Ffowcs W illiams和 Hawkings提出的FW-H方程模拟声音的产生与传播，这个方程中采用了Lighthill的声学近似模型。FW&H方程如下：

式中：p′为远场声压，Pa；a0为远场声速，m/s；ρ0为未扰动流体密度，kg/m3；un为流速分量，m/s；vn为表面速度分量，m/s；Tij为Lighthill压力张量，Pa；pij为压应力张量，Pa；δ(f)为狄拉克得尔塔函数；H(f)为亥维赛函数。

3 计算结果及分析

噪声模拟需要进行非稳态计算。为了缩短计算时间、得到可靠数据，首先要在稳态下进行流场的计算，通过足够长时间结果收敛后得到稳定的流场，然后再进行非稳态计算。

3.1 直冷单元噪声模拟

直接空冷单元的噪声源主要是风机产生的气动噪声。为研究噪声的分布规律，直冷单元的噪声模拟过程中，在沿风机转轴正下方1、10、20 m以及34.8 m(离地1.5 m)设置了接收点，进行声音数据的采集。

在稳态计算收敛之后采用非稳态进行噪声的计算。通过足够长时间的计算和声音数据的采集，利用Fluent对声音数据进行计算，得到了各接收点处的声音文件，并通过 FFT处理最终得到如图5所示的各接收点处声压级噪声值的1/3倍频程图。由于计算机条件的限制，模拟的噪声频率范围为0～6000 Hz。从图中可以看出，直冷单元的声压级噪声值在所研究的频率范围内的分布比较均匀。计算得出距风机1、10、20、34.8 m 的声压级噪声值分别为86、79、74、70 dB。

图5 直冷单元1/3倍频程图Fig. 5 Spectrum of 1/3 octave band of direct air cooling cell

3.2 空冷岛噪声模拟

由于所研究的空冷岛模型包括 30个空冷单元，结构比较复杂，因此建模时对空冷单元结构做了简化处理，其中风机简化为了圆面，换热管束简化成为矩形面。经过足够长时间的稳态计算得到了空冷岛的稳定流场后，在非稳态下进行噪声计算。计算过程中选取了3个接收点，分别为高度Z为1.5m、沿X轴方向距离空冷岛0、100、200 m的3个点。本文分别计算了常规空冷岛以及加消音墙后的空冷岛的噪声分布情况，并对两个模型声压级噪声进行了对比。

如图 6所示为常规空冷岛模型的声压级噪声，噪声频率分布从0～3000 Hz，0、100、200 m接收点噪声值分别为148、133、124 dB，图7为加消音墙后的空冷岛模型声压级噪声值分布图，其相应接收点的值分别为140、126、116 dB。从计算结果可以看出，增加10 cm多孔介质消音墙后，噪声值下降了约5.4%。为了进一步分析噪声的变化情况，在图8中将两种空冷岛模型相同距离的1/3倍频程图进行了对比，从图中可以看出，在增加消音墙后，各接收点0～2000 Hz频率范围内的噪声值都得到了大幅降低。上述结果说明，在空冷岛挡风墙内侧布置的多孔介质能有效地降低空冷岛噪声中的中低频部分，并最终降低了整个空冷岛的噪声。

图6 常规空冷岛1/3倍频程图Fig. 6 Spectrum of 1/3 octave band of conventional ACCs

图7 加消音墙空冷岛1/3倍频程图Fig. 7 Spectrum of 1/3 octave band of ACCs with the noise reduction wall

图8 两种模型不同距离处声压级值比较Fig. 8 Comparison of sound pressure levels at different distances between the two models

4 结论

本文利用Fluent对空冷单元和空冷岛进行噪声模拟，从计算结果可以看出：

1）本文的直冷单元采用的是实际风机模型，通过计算流体力学软件Fluent对直冷单元噪声进行预估，得到的噪声值与实际噪声值接近，可以得出在计算模型与实际接近时，计算结果是比较可靠的。

2）空冷岛中的风机模型简化为薄面，经过对直接空冷岛进行流场模拟和噪声预估，可以看出，空冷岛流场与实际生产中的规律符合，但是噪声预估有一定的偏差。因此，利用Fluent进行噪声计算时，结果的可靠性与模型的准确性有紧密的关系，因此应该尽量对模型进行细化。

3）通过对常规空冷岛和加消音墙的空冷岛的对比，得出在挡风墙内部布置多孔介质的消音墙对空冷岛的热力性能基本没有影响，但是可以降低空冷岛噪声中的低频部分，从而降低空冷岛的噪声水平。