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王卫良博士答辩现在开始

现在请学位分委员会代表

宣读由学位评定委员会主席审批的

答辩委员会主席及成员名单

今天王卫良博士答辩

我们这次评审委员会的主席由我来代表

另外请博士生导师倪老师作为委员

还有吕俊复教授还有张海教授

另外就是校外的刘建民教授级高工

他是电科院的

是国电电科院的研究院院长

另外还有陈海平教授

华北电大学的教授

由这几位组成

秘书由许兆峰担任

下边我宣布答辩会开始

首先请许兆丰峰介绍一下

王卫良他本身攻博的

念书的整个的资料情况

王卫良个人简历

1982年出生于江苏省连云港市东海县

2000年9月考入

东南大学动力工程系热能工程专业

2004年7月获得本科工学（学士）学位

同年9月考入清华大学热能工程系

动力工程及工程热物理专业

2007年7月研究生毕业

并获得工学硕士学位

2013年9月考入清华大学热能工程系

动力工程及工程热物理专业

攻读博士至今

他的在攻读博士期间主要课程成绩如下

燃气轮机关键技术和应用85分

热能动力工程前沿通过

博士生英语76分

中国马克思主义与当代87分

学术活动与学术报告通过

文献综述与选题报告89分

资格考试82分 汇报完毕

下边请王卫良介绍一下

他博士生论文的基本内容

控制在30分钟到45分钟

各位老师各位同学大家下午好

首先非常感谢大家从百忙之中

抽空前来参加我的博士学位论文答辩

我叫王卫良

导师是倪维斗院士

我的论文题目是

《环境风下空冷塔性能恶化

强化的流动基础与流场重构》研究

报告主要分为如下八方面内容

首先是研究背景

截止2015年底

我国的煤电机组已突破9亿

煤电机组是耗水大户

而中国大部分地方水资源非常匮乏

为此在过去的十几年

空冷机组逐渐发展成为煤电机组的

以其能节水90%以上的效果

逐渐发展成燃煤机组的主力

根据国家中长期规划

未来十年内我国仍需要新建

4-5亿千瓦的煤电机组

而新增煤电机组必须

将逐渐向煤炭基地集中

而中国的煤炭基地恰恰与北方

缺水最严重的北方五区基本重合

为此空冷机组将成为

燃煤机组发展的必然选择

空冷机组主要包括

直接空冷和间接空冷两大类

随着间接空冷技术的发展

间接空冷机组以其能耗低

抗风性能好等优势

逐渐成为空冷机组发展的主流

然而与常规的湿冷机组相比

间接空冷机组

对环境风仍然比较敏感

不光引起机组煤耗增加

而且影响带负荷能力

以及安全稳定运行

因此深入研究

间接空冷塔内外流场改善环境风下

空冷塔的冷却性能具有重要意义

在无风条件下

空冷塔通过内外的温差

形成自然对流

抽吸环境空气

在空冷塔底部入口

形成均匀的周向进风

在空冷塔出口形成上升羽流

当环境风存在时

空冷塔内外流场受到严重破坏

空冷塔进口流场严重不均

出口羽流产生偏斜

在空冷塔内部产生复杂的漩涡结构

根据国内外学者的研究

当环境风速大于4m/s时

环境风便开始影响空冷塔的冷却性能

风速较高情况下

空冷塔冷却性能下降可达到35%以上

为此国内外学者提出了

诸多改进空冷塔性能的方案

其中主要包括九十年代

就提出的挡风墙方案

以及聚风室的方案

以及最近这几年提出的坡型塔出口

和椭圆柱体的概念

然而由于缺少对

空冷塔性能流动基础的详细研究

也缺少对流场结构

改变的定量研究手段

在冷却塔性能改进方面

提出的方案总体不够理想

为此本文提出如下研究思路

首先对环境风下

空冷塔场的变化的流动基础

与定量表征进行深入研究

其次定量研究挡风墙等

改进方案的改进机制

最后基于以上基础

开展空冷塔的流场重构研究

为了开展上述研究

我们选定了国内

某660MW间接空冷机组

做为研究对象

这是空冷塔的结构图

以及底部散热器的布置方案

和冷却三角的示意图

同时我们也制订了如下的

路线技术路线

首先根据设计数据

和性能实验数据

建立CFD计算模型

同时在风洞实验室建立

热态风洞实验台

对CFD模型进行校核验证

然后通过已校验的CFD模型

研究环境风下空冷塔性能

恶化的流动基础、流场解析

以及改进方案的改进机制

和流场重构

最后通过风洞实验室模化实验台

对每一项

主要研究内容的主要结论

进行进一步的验证

这是数值模拟方案

我们采用了fluent计算软件

建立了两种典型的

一个是方形计算结构

一个是圆柱形的计算结构

并对比了两种方案的效果差异

然后数学模型部分

主要涉及三个方面

第一散热器的传热模型

一般情况下

常规的学者都采用的是

给定循环水量通过气、固、液

三项的耦合传热

来计算空冷塔的实时传热状况

不仅增加了计算难度

同时也引入了计算误差

经过对空冷塔的

特性校核

我们发现在负荷不变的情况下

空冷塔受环境风的影响

引起背压波动

散热量偏差一般在5%之内

为此本文假定

散热器为恒定热源

这样不仅简化了计算

同时也减少了计算的误差

第二换热器的阻力特性

通过研究，在20米风速下

空冷散热器最大的雷诺数

不超过1200

为此我们选定了

一次方的阻力特性模型

作为空冷散热器的阻力特性

这个将在后面的实验部分

进行进一步验证

然后对于空冷塔性能的表征方面

一般情况下国内外大多采用

换热效果、换热系数

等变化情况进行表征

本文通过环境风下

空冷塔通风量的变化

然后推导出

这样的一个计算公式

来确定空冷塔的初始温差

对空冷塔影响机组的背压

进行直接表征

基于上述的模型

首先对方形计算域

和圆柱形计算域进行校核验证

发现计算域

对计算模型影响非常小

同时通过

性能实验数据和设计数据

对模型也进行进一步校验

初始温差

误（偏）差最大的0.7度左右

为了进一步校验上述模型

我们通过如下流程设计了

风洞实验室的模化实验台

首先根据风洞的尺寸

基于雷诺准则

确定模型的

基本特征尺寸

然后根据弗鲁德准则

确定模型的特征速度

然后根据欧拉准则

确定系统的阻力特性

以此设计阻力片的尺寸

包括间距、厚度等

然后通过冷态实验和热态实验

分别对系统的阻力特性进行校验

如果说不满足要求的情况下

再对阻力片的间距进行调整

直到满足实验要求为止

那么基于上述的设计流程

我们确定了研究

对象缩小两百倍的模型

然后采用

等比例缩放的锯齿型金属片

模拟冷却三角的阻力特性

也采用周向布置的功率可调

的电加热棒

模拟空冷散热器的散热特性

由于散热器的结构

和整个空冷塔的结构

未做任何简化

整个加工和设计过程非常繁琐

这是根据设计流程设计的

冷态校核实验台

这是现场的图片

包括大型的

风机管道和实验模型

通过对三个模型的校核

我们选择了一个比较接近

设计要求的一个冷态实验方案

阻力特性

随风速的变化如曲线所示

进一步我们

对空冷模型的阻力特性

进行最小二乘拟合

然后我们发现

系统的二次方阻力特性

几乎不随阻力

片间距的调整而改变

这也进一步证明了

刚才我们所说的

空冷散热器

处于层流状态的特性

下面我们将经过

冷态实验校验后的模型

放入空冷风洞

进行进一步热态校验

这是现场的图片

电加热功率通过在线的

互感式数字功率表进行监测

现场温度通过热电偶和变送器

压力通过压力传感器

压力匹配器和微压计进行测量

第一次校核发现

冷态校核的数据并不能满足要求

我们对模型进行了重新组装

第二次通过校核，并确定了

模型的尺寸和

实验的工况边界条件

基于上述数值模拟

和实验模型的方法

我们下面对空冷塔性能影响的

流动基础进行深入研究

通过对空冷塔数值模拟计算的

内外流场分析发现

在环境风存在的情况下

空冷塔内部存在内壁漩涡

出口羽流产生偏斜

底部进风存在严重的不均

而且在两侧出现

比较强的流动加速

上升气流也存在

大量的主流漩涡

底部进口的压力严重的周向不均

在大风情况下甚至出现外部气压

压力低于塔内压力的情况

同时我们也对不同环境风情况下

塔的周向进风流量

进行了系统的研究

以及对塔的

整体通风量和初始温差

通过研究发现环境风主要通过

空冷塔内壁漩涡、主流旋流

和周向进风不均匀

等改变空冷塔性能

随着环境风，增加主流漩涡中心

从出口位置逐渐下移

然后再此向上扩展

迎风面冷却风量逐渐被强化

内壁漩涡逐渐增长

挤压上升流动

散热器侧面流动加速

静压下降，流量下降

背风面进风先局部强化

然后被漩涡逐渐分解

极端时出现穿堂风的情况

为了进一步定量研究

环境风对空冷塔性能的影响

我们选择了远场压力面

散热器内外面

塔柱的进出口面作为特征面

进行进一步分析

基于伯努力方程

我们推导出阻力系数和压力

以及流量之间的关系

并进一步定义了

流动阻力和流动势

这样我们建立了流动阻力

流量和流动势之间的线性关系

然后通过进一步微分

提出了可以定量表征局部

流场变化对空冷塔

整个通风性能影响的

流动损失系数

通过对空冷塔总的

流动损失系数的研究发现

它的趋势跟空冷塔通风量的

下降正好对应

再一次验证了

流动损失系数对流场

影响定量表征的效果

然后推动对不同部位的

流动损失系数的研究

我们建立了空冷塔（流场）结构的

动态特性模型

然后通过风洞实验

对上述的研究成果进行了校验

实验结果

与数据模拟结果基本一致

但是同时我们也发现

随着环境风的增加

空冷塔的通风量在实验工况下

在高速的大风情况下

存在反弹的现象

根据我们推测地面摩擦引起

实验工况下空冷塔进风的

的减小是主要原因

空冷塔流场解析的研究中

我们将对这个问题

进行进一步阐述

本章小结

通过对环境风下

空冷塔流场的研究

掌握了空冷塔

冷却性能的涡系结构

侧面流动加速、出口羽流

以及底部进风不均等流动基础

然后基于伯努力方程

推导出流动阻力、流量

和流动势的线性关系

然后基于上述关系

提出定量表征影响空冷塔

通流能力的

无量纲流动损失系数

通过流动损失系数

确定不同工况下

空冷塔性能变化的特征流动

并进一步建立

流场特征流动的动态模型

实验验证了

数值计算结果的可靠性

为了进一步研究环境风对

空冷塔性能恶化/强化作用机制

我们将空冷塔的外的

环境风进行解析研究

上图是通过挡风罩

将空冷塔出口

和入口的环境风进行分隔开

上面是将这个

是将上侧的环境风挡住

这是将下侧挡住

上面的是计算模型

下面的是实验模型

通过对空冷塔内外压力场

流场、以及流线等研究我们发现

进口环境风

通过内壁漩涡主流旋流

和周向进风的均匀性

改变空冷塔的流场性能

当底部无风的情况下

出口环境风反向卷吸出口羽流

羽流偏斜较轻

对空冷塔内部

流场结构影响不明显

与原流场对比分析发现

进口环境风引起主流旋流

导致羽流刚度较差

极易被出口环境风挤压

然后进一步对解析流场

进行定量表征研究

同时对空冷塔的通风量

进行了研究

通过研究发现低风速的情况下

环境风分别通过进口、出口

产生轻度的恶化、强化效应

上下侧环境风

都增大进口前流动损失

并通过入口渗透入内部流场

增大各区域流动损失

中高速时环境风

通过进口增加各部位

流动损失系数

加速恶化空冷塔通风

而通过出口

降低各部位流动损失系数

强化空冷塔的通风

环境风单独作用于

出口和入口后的

效果叠加明显弱于解析前的

性能恶化情况

说明上下部环境风

有比较强的耦合作用

然后进一步通过实验验证

上述的数值模拟研究

实验结果与数值计算一致

本章小结，通过以上研究

我们发现上下部环境风

都有助于增大空冷塔

进口前流场的流动损失

并渗透入内部流场

使得各区域流动损失增加

第二、进口环境风引起主流旋流

强化出口风对羽流的挤压

增大上升气流流动损失

出口环境风可抑制旋流

产生负压驱动强化流动

综合后环境风下空冷塔通风量

成稳步下降的趋势

而上述结论进一步佐证了

上一章我们提出关于地表摩擦

对实验模型底部进风影响大是

大风情况下实验通风量反弹的

主要原因的推断

为了进一步研究

空冷塔性能的改进方案

我们首先对已有的

挡风墙和聚风室

等改进方案进行研究

研究了各自的

空冷塔流场压力场以及流线

和流动损失系数等

通过研究我们发现

挡风墙和聚风室

对改善空冷塔流场

都有积极的作用

但二者改善机制明显不同

挡风墙可以直接破坏

空冷塔侧壁的流动加速

抑制内壁漩涡

减弱周向进风不均

同时又增大进风面和

背风面的进风不平衡

聚风室则可大幅降低

周向进风不均匀

减弱主流旋流与中心的偏离

同时也可抑制内壁漩涡

两种方案由于机制不同

叠加后效果非常好

然后基于上述

改进机制的研究

我们提出了一些改进方案

首先从工程的角度需要

我们将聚风室的半径

从220米逐渐

缩小至160米120米

乃至100米的半径

同时也研究了

在聚风室上侧

增加了一个盖板

也研究了不同的

盖板宽度的效果

通过研究发现改进后的

120米半径的聚风室效果较好

但总体效果

由于高度降低了以后

总体效果比原组合方案还要差

但原的组合方案

工程实施比较困难

增加盖板的方案

没有明显强化空冷塔性能的表现

基于流动基础研究着我们发现

空冷塔侧壁流动加速是

对空冷塔性能

破坏的主要原因

为此我们想通我们设计了

三通道双通道和单通道的方案

以期望对侧壁的

加速流场进行导流

从而引入到侧面和背面

进行强化通风

通过对流场以及流动损失系数

和通流量的研究我们发现

环境风引起的上升流动恶化

几乎被导流方案全部消除

部分工况甚至得到了强化

进口流场流动损失大幅消减

转向室的流动损失

也得到了有效控制

但是散热器区域流动损失的增加

则成为了新的流动阻力的主导

三种方案总体效果一致

说明单通道

发挥了更主要的作用

为此我们基于刚才单通道的方案

又重新设计了

一种新的迷宫型方案

将单通道背部的挡板截除一块

提到前侧90度角处

形成刚才介绍的

挡风墙的结构

那么跟原来剩下来的壳体

组成了一个迷宫型的结构

同时研究了不同的周向角度

以及背部盖板宽度的效果

通过对相应的流场分析

压力场的分析以及流动损失系数

通流量等包括实验验证

我们发现相比

单通道流场结构方案

迷宫型结构散热器

流动损失明显下降

同时也消除了侧壁流场加速

降低入口前、转向室

等区域的流动损失

上升流场流动损失略微偏高

对比了几种不同的方案

我们发现30度角

宽背板的迷宫方案

流场总体平稳

大风时通风性能提高10%以上

本章小结

通过以上研究本章研究了

挡风墙聚风室

对空冷塔的不同改进机制

从而提出了一系列流场重构方案

包括挡风墙聚风室的结构优化

以及侧壁加速流场的导流利用

以及最后的迷宫型方案

通过数值模拟和实验研究发现

迷宫型流场重构方案

可将环境风对空冷塔的负面影响

转化为强化作用

大风时提高通风量10%以上

比原基准塔提高50%左右

在0-20米风速范围内

可以平均降低煤耗5克每千瓦时

左右

结论与展望部分

本文通过研究

首先揭示了空冷塔

空冷散热器空气流动的层流特性

建立了一次方阻力特性模型

第二提出空冷塔定热原简化模型

有效提高了计算效率

降低了计算不确定度

第三环境风通过空冷塔内壁漩涡

主流旋流和周向进风不均匀等

关键因素改变空冷塔通风性能

进而影响其冷却性能

第四建立主流流动自模化条件下

基于几何相似、Froude准则

Euler准则和动量相似准则的

空冷塔热态模化实验系统

第五个建立流动势、流动阻力

与流量之间的关系

提出反映局部流场变化

对空冷塔通风能力影响的

流动损失方程

第六环境风主要通过底部入口

降低空冷塔通风性能

恶化空冷塔冷却性能

相反通过空冷塔出口

一定程度强风通风

减缓空冷塔冷却性能的下降

第七实验工况下

地表摩擦影响直接覆盖空冷塔

入口速度分布区间

在大风情况下

相对减弱入口风的效果

减弱了入口风的负面效果

使得空冷塔通风性能

在大风情况下出现反弹

这也是诸多学者

通过实验研究对大风情况下

空冷塔性能

误判的主要原因

最后提出侧面流动导流

迷宫型结构等流场重构方案

大风时提高通风量10%以上

比基准塔提高50%左右

下一步的展望

将针对不同空冷塔的结构

不同地区的环境风的统计特性

对迷宫型方案进行系统优化

以提高该方案的可行性和经济性

然后考虑不同风向的影响

进一步研究迷宫型方案的

工程设施方案

论文的创新点

主要包括如下三个方面

首先提出并实验验证了

主导空冷塔阻力特性的散热器

翅片间层流流动的

一次方阻力模型

建立在主流特征流动

处于自模化区条件下

同时满足几何相似、Froude准则

Euler和动量相似约束的

环境风洞空冷塔热态模化方法

第二提出反映了局部流场变化

对整体流场性能

影响的流动损失系数

揭示了环境风

对空冷塔性能的强化弱化机制

第三提出并实验验证了

通过流场重构将环境风

对空冷塔的恶化影响

转化为强化作用的设想

以及实现方法

通过博士论文工作

共发表文章9篇

其中SCI收录3篇EI收录3篇

国际会议1篇

以及报刊和杂志的约稿2篇

申请专利21项已授权14项

其中包括发明专利4项

实用新型10项

谢谢大家