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摘 要：凝汽器是电站的主要设备之一，其性能取决于凝汽器管束结构的合理布置。该文使用STAR-CD软件模拟循环水上进下出流动时带状管束布置的凝汽器壳侧流场和性能，得到凝汽器壳侧的流场和压力分布、管束区换热系数及不凝结气体的分布情况，通过凝汽器壳侧流场结果分析此种带状管束布置的优劣性。
关键词：STAR-CD 带状管束 凝汽器 数值分析
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0084-02
1 概况
凝汽器是使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。大型凝汽器具有良好的热力性能的关键技术在于其管束的布置，管束区热负荷均匀、蒸汽凝结充分、流动阻力小等都靠上万根冷却管的合理安排来实现。该文在STAR-CD软件的基础上结合udf程序文件模拟分析循环水上进下出流动时凝汽器壳侧流场和性能。通过分析凝汽器壳侧压力分布、空气浓度分布以及传热系数分布等分析管束布置的优劣性，对凝汽器管束结构布置的改进和优化提供理论指导。
2 建模
2.1 结构模型
根据提供的图纸，凝汽器为对称壳体，为简化计算，分析时计算区域只取半个壳体进行计算。凝汽器为三角形叉排管束，管束区按上述单元尺寸划分网格，管束区的网格如图1所示。
2.2 物性参数及边界条件
该凝汽器为双流程设计，循环水为上进下出的流动方式，即冷却水由上部管束进入，与蒸汽换热后由下部管束流出。确定模拟参数如表1所示。
2.3 评价方法
该文的模拟计算方法采用压力评价法，即通过不断调整出口压力（假设）计算得到设备入口的压力（已知），计算收敛后结果认为正确的。
该文设置凝汽器抽汽压力为出口压力，根据模拟的结果得出凝汽器入口附近的压力（凝汽器设计压力），经过对出口压力值的不断调整，直到推算出的凝汽器入口压力为设计压力时，并且计算收敛后，此时流场计算结果认为是正确的。
3 模拟结果分析
3.1 流场分布
凝汽器壳侧流场速度矢量图见图2。蒸汽在管板上方的流速为55 m/s，最大流速为77 m/s。在管束区上方即第一流程，蒸汽逐步穿过管束区流向空冷区，部分蒸汽沿着管束区两侧的通道进入第二流程，蒸汽经过管束区凝结后进入空冷区，在空冷区内未完全凝结的蒸汽再一次参与换热凝结，剩余的不凝结气体和未凝结的蒸汽一起被抽出。从图中可以看出部分蒸汽流向热井对凝结水进行热力除氧，实现凝汽器的经济运行。
3.2 压力分布
凝汽器壳侧压力分布图如图3所示，在管束区上方蒸汽突遇管束阻力，蒸汽动能转换为势能，造成压力突然升高，随着蒸汽深入管束区，蒸汽的压力越来越低，即压降越来越大。空冷区下方挡板处的压力变化较剧烈，从速度矢量图上也可看出挡板处的流速较高，经计算挡板部分的压力损失约为300 Pa，而整个管束区的总压降约为900 Pa。
3.3 空气质量分数分布
凝汽器空气主要集聚在空冷区，抽空气口的位置空气浓度最大，最大的空气浓度为37.75%，管束区几乎没有空气的集聚，根据凝汽器布管原则可知，此管束的空冷区布置较为合理。
4 结语
通过STAR-CD软件对凝汽器壳侧流场的模拟得出，空冷区上方带状管束布置略微不合理，存在换热不完全的情况，此处需要调整管束布置，空冷区下方压力损失较大，结构仍需调整，但是总体整个管束中蒸汽流程较短、汽阻较小，部分蒸汽直接流向热井的凝结水面，降低凝结水的过冷度并且热力除氧。因此，此管束的布置符合凝汽器管束设计的基本原则，同时循环水上进下出流动使得水侧的阻力损失较小。
参考文献
[1] 董建华，董爱华.管束布置对凝汽器性能影响的数值模拟分析[J].汽轮机技术，2014，56（3）：176-178.
[2] 张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京：机械工业出版社， 1993.
[3] 闫超.计算流体力学方法及应用[M].北京航空航天大學出版社，2006.
关键词：STAR-CD 带状管束 凝汽器 数值分析
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0084-02
1 概况
凝汽器是使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。大型凝汽器具有良好的热力性能的关键技术在于其管束的布置，管束区热负荷均匀、蒸汽凝结充分、流动阻力小等都靠上万根冷却管的合理安排来实现。该文在STAR-CD软件的基础上结合udf程序文件模拟分析循环水上进下出流动时凝汽器壳侧流场和性能。通过分析凝汽器壳侧压力分布、空气浓度分布以及传热系数分布等分析管束布置的优劣性，对凝汽器管束结构布置的改进和优化提供理论指导。
2 建模
2.1 结构模型
根据提供的图纸，凝汽器为对称壳体，为简化计算，分析时计算区域只取半个壳体进行计算。凝汽器为三角形叉排管束，管束区按上述单元尺寸划分网格，管束区的网格如图1所示。
2.2 物性参数及边界条件
该凝汽器为双流程设计，循环水为上进下出的流动方式，即冷却水由上部管束进入，与蒸汽换热后由下部管束流出。确定模拟参数如表1所示。
2.3 评价方法
该文的模拟计算方法采用压力评价法，即通过不断调整出口压力（假设）计算得到设备入口的压力（已知），计算收敛后结果认为正确的。
该文设置凝汽器抽汽压力为出口压力，根据模拟的结果得出凝汽器入口附近的压力（凝汽器设计压力），经过对出口压力值的不断调整，直到推算出的凝汽器入口压力为设计压力时，并且计算收敛后，此时流场计算结果认为是正确的。
3 模拟结果分析
3.1 流场分布
凝汽器壳侧流场速度矢量图见图2。蒸汽在管板上方的流速为55 m/s，最大流速为77 m/s。在管束区上方即第一流程，蒸汽逐步穿过管束区流向空冷区，部分蒸汽沿着管束区两侧的通道进入第二流程，蒸汽经过管束区凝结后进入空冷区，在空冷区内未完全凝结的蒸汽再一次参与换热凝结，剩余的不凝结气体和未凝结的蒸汽一起被抽出。从图中可以看出部分蒸汽流向热井对凝结水进行热力除氧，实现凝汽器的经济运行。
3.2 压力分布
凝汽器壳侧压力分布图如图3所示，在管束区上方蒸汽突遇管束阻力，蒸汽动能转换为势能，造成压力突然升高，随着蒸汽深入管束区，蒸汽的压力越来越低，即压降越来越大。空冷区下方挡板处的压力变化较剧烈，从速度矢量图上也可看出挡板处的流速较高，经计算挡板部分的压力损失约为300 Pa，而整个管束区的总压降约为900 Pa。
3.3 空气质量分数分布
凝汽器空气主要集聚在空冷区，抽空气口的位置空气浓度最大，最大的空气浓度为37.75%，管束区几乎没有空气的集聚，根据凝汽器布管原则可知，此管束的空冷区布置较为合理。
4 结语
通过STAR-CD软件对凝汽器壳侧流场的模拟得出，空冷区上方带状管束布置略微不合理，存在换热不完全的情况，此处需要调整管束布置，空冷区下方压力损失较大，结构仍需调整，但是总体整个管束中蒸汽流程较短、汽阻较小，部分蒸汽直接流向热井的凝结水面，降低凝结水的过冷度并且热力除氧。因此，此管束的布置符合凝汽器管束设计的基本原则，同时循环水上进下出流动使得水侧的阻力损失较小。
参考文献
[1] 董建华，董爱华.管束布置对凝汽器性能影响的数值模拟分析[J].汽轮机技术，2014，56（3）：176-178.
[2] 张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京：机械工业出版社， 1993.
[3] 闫超.计算流体力学方法及应用[M].北京航空航天大學出版社，2006.