电站空冷岛轴流风机模型研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22159

电站空冷岛轴流风机模型研究

刘学¹, 李国栋¹, 张瑞颖¹, 侯一晨², 陈磊², 杨立军²

1.华电重工股份有限公司, 北京市丰台区 100070

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

Research on Axial Flow Fan Models of Air Cooling Island in Power Plant

LIU Xue¹, LI Guodong¹, ZHANG Ruiying¹, HOU Yichen², CHEN Lei², YANG Lijun²

1.Huadian Heavy Industries Company Limited, Fengtai District, Beijing 100070, China

2.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

收稿日期: 2023-09-23 修回日期: 2023-11-16

基金资助:

国家自然科学基金项目. 52006070

Received: 2023-09-23 Revised: 2023-11-16

作者简介 About authors

刘学(1971)，男，硕士，正高级工程师，研究方向为节能、储能及空冷系统，liux@chec.com.cn；

李国栋(1972)，男，博士，正高级工程师，研究方向为空冷及管道系统，ligd@chec.com.cn；

张瑞颖(1985)，女，硕士，高级工程师，研究方向为热能动力工程，zhangry@chec.com.cn；

侯一晨(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为智慧冷端系统安全节能运行，18832277235@163.com；

陈磊(1988)，男，博士，副教授，研究方向为智慧冷端系统安全节能运行、电化学储能和氢能，本文通信作者，leichen@ncepu.edu.cn；

杨立军(1970)，男，博士，教授，研究方向为热力发电节能、电池储能和氢能技术，yanglj@ncepu.edu.cn。

摘要

目的轴流风机作为直接空冷系统的主要设备，其气动性能对于直接空冷系统的流动换热性能具有重要影响。由于空冷岛的流动换热问题在空间几何上跨越了多个尺度，采用实验方法进行研究较为困难，通常利用数值模拟的手段进行研究。因此，对于现在大多数模拟工作中采用的简化风机集总参数模型(简化模型)的准确性进行讨论分析十分必要。方法采用数值模拟的方法，分别建立了包含风机叶片的实体风机模型(实体模型)和简化模型。分别研究了不同温度、风速、风向角条件下采用实体风机和风机模型对于电站冷端系统输运性能的影响规律，通过对比分析获得了各个工况下的空气侧压力场和流场的分布规律，并对采用不同风机模型的电站冷端系统各个空冷凝汽器单位的轴流风机冷却空气压降和流量进行了统计和对比。结果实体模型与简化模型的差异主要体现在低流量区，且风速越大，差异越明显。结论研究结果可为提高电站冷端系统数值模拟研究的准确性提供参考。

关键词： 轴流风机 ; 实体风机模型 ; 空冷岛 ; 数值模拟

Abstract

Objectives As the main equipment of the dry cooling system, the aerodynamic performances of axial flow fans play an important role in the flow and heat transfer performances of the direct dry cooling system. Because the flow and heat transfer problems of the air-cooled island spans multiple scales in geometric dimensions, the experimental method is hard to realize while the numerical simulation method is usually used. Therefore, it is necessary to discuss and analyze the accuracy of simplified lumped parameter fan model (i. e., the simplified model) used in the previous simulation work. Methods Based on the numerical simulation method, the real model containing the fan blade fan model (real model) model and the simplified model were both built. Under different weather conditions, the transport properties of the direct dry cooling system were studied. The comparison and analysis of the air-side pressure field and flow field distributions were conducted. Furthermore, the pressure drops and flow rate of the cooling air through the axial flow fan in each air-cooled condenser cell of the direct dry cooling system with different fan models were analyzed and compared. Results The difference between the real model and the simplified model is mainly reflected for the axial flow fans with low flow rates, and the difference becomes more obvious with the increase of wind speed. Conclusions The results of this paper can provide reference for improving the accuracy of numerical simulation of the direct dry cooling system.

Keywords： axial flow fan ; real fan model ; air cooling island ; numerical simulation

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本文引用格式

刘学, 李国栋, 张瑞颖, 侯一晨, 陈磊, 杨立军. 电站空冷岛轴流风机模型研究. 发电技术[J], 2024, 45(3): 545-557 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22159

LIU Xue, LI Guodong, ZHANG Ruiying, HOU Yichen, CHEN Lei, YANG Lijun. Research on Axial Flow Fan Models of Air Cooling Island in Power Plant. Power Generation Technology[J], 2024, 45(3): 545-557 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22159

0 引言

直接空冷系统具有初投资低、结构简单以及运行调节灵活等特点，能有效地解决我国内陆干旱地区发电问题^[1-4]。电站冷端技术发展已经比较成熟，国内外学者对此进行了大量的研究。Chen等^[5-6]提出构想V型框架的空冷凝汽器单位以及垂直布置空冷凝汽器的结构方案，不仅有效抑制了轴流风机进口气流畸变，还能高效地使用环境风能。He等^[7-9]分析了不同工况下空冷凝汽器风机入口温度场，揭示了风机入口空气温升机理，并通过改变风机扇叶角度以及风机阵列转速的方式来改善空冷系统和整个电厂的性能。Pericleous等^[10]建立了化学反应器中搅拌叶片的模型，模拟了实验反应器的流场。南非Kroger课题组^[11-13]对空冷系统的风机性能进行了研究，指出适当的增加步道宽度和空冷平台高度，可以提高风机的容积效率。同时，他们建立了风机激盘模型，并与实际的实验数据进行了比较，发现数值结果与实验结果之间有着良好的一致性。杨立军等^[14-16]对空冷岛进行了大量研究之后，针对性地提出了空冷岛轴流风机集群因子与集群效应的概念^[17-18]，为指导电站冷端风机优化运转提供了参考。文献[19-21]提出对环境风下空冷岛风机群进行分区调节的策略，在一定程度上可以减少空冷机组背压，提高机组经济性。Chen等^[22]在此基础上采取轴流风机分区调节来解决空冷凝汽器在冬天凝结水过冷的问题，与传统方式相比，最大可节约耗电量362.8 kW。李健^[23]结合计算机学科的理论，提出了基于聚类分析和灰色关联度的直接空冷机组风机群优化运行的方式，通过调整特定地区的轴流风机群来降低机组背压，达到优化运行的效果。黄文慧^[24]在保证风机群功耗不变的情况下，尽可能地发挥了风机群的潜能，降低了功耗。陈磊等^[25]提出了电站轴流风机防冻高效运行策略，充分发挥了空冷的优势。安留明等^[26]通过建立直接空冷系统数学模型，研究了不同环境气象条件下机组变工况特性，为机组安全运行提供了指导。

上述研究深入探讨了大气环境对空冷岛对流传热特性的影响。结果表明，在外界风的影响下，轴流通风扇的功能存在着显著的差别。大部分的数学模拟工作都采用了简单的数学方法来研究直接空冷岛的传热特性，即通过定义风机平面、压力阶跃的多项式函数以及切向、径向速度的多项式函数，来模拟实体风机的作用效果。然而，受制于轴流风机性能曲线的影响，对于超出风机工作范围的模拟结果会出现较大的偏差。为了解集总参数简化模型在轴流风机全工况范围内的准确性，本文以5×6规模的直接空冷系统为研究对象，分别采用实体模型和简化模型对轴流风机进行模拟，深入分析不同环境气象条件下，采用不同模型时空冷岛的流场和压力场分布规律。

1 数值模型

1.1 控制方程

直接空冷空气侧流动换热控制方程的一般形式为

\nabla \cdot (ρ u φ) = \nabla \cdot (Γ \nabla φ) + S

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m³； u 为流体速度，m/s；φ为相关变量；Γ为扩散项；S为源项。

对于连续性方程， $φ = 1, Γ = 0, S = 0$ $。$ 对于能量方程， $φ = c_{p} T$ ， $Γ = μ_{e} / σ_{T}$ ， $S = 0 。$ 其中： $c_{p}$ 为流体比热容，J/(kg⋅K)；T为流体温度，K； $μ_{e}$ 为有效湍流黏度，Pa⋅s； $σ_{T}$ 为湍流普朗特数。

对于x，y和z方向的动量方程中源项S的表达式如下：

\{\begin{matrix} S_{x} = - \frac{\partial p}{\partial x} + \sum_{n = x, y, z} \frac{\partial}{\partial n} (μ_{e} \frac{\partial u}{\partial x}) \\ S_{y} = - \frac{\partial p}{\partial y} + \sum_{n = x, y, z} \frac{\partial}{\partial n} (μ_{e} \frac{\partial u}{\partial y}) \\ S_{z} = - \frac{\partial p}{\partial z} + \sum_{n = x, y, z} \frac{\partial}{\partial n} (μ_{e} \frac{\partial u}{\partial z}) + ρ g \end{matrix}

(2)

式中： $p$ 为压力，Pa； $g$ 为重力加速度，m/s²。

用可实现的k-ε模型模拟湍流，湍动能和湍流耗散率表示如下：

S = \{\begin{matrix} G_{k} + G_{b} - ρ ε, φ = k, Γ = μ + \frac{μ_{T}}{σ_{k}} \\ \frac{ε}{k} (G_{k} + G_{b} - C_{2} ρ ε), φ = ε, Γ = μ + \frac{μ_{T}}{σ_{k}} \end{matrix}

(3)

式中： $k$ 为湍动能，J； $ε$ 为湍流耗散率； $μ$ 为空气的动力黏度，Pa⋅s； $μ_{T}$ 为空气湍流动力黏度，Pa⋅s； $σ_{k}$ 为湍动能对应的湍流普朗特数； $G_{k}$ 和 $G_{b}$ 分别为由层流速率梯度和浮升力形成的湍动能； $C_{2}$ 为常数，取1.92。

1.2 边界条件

参考某电厂实际运行风机得出实体风机模型，设计运行参数如表1所示，风机性能曲线如图1所示。实体风机采用多重参考系模型，即马尔科夫随机场(Markov random field，MRF)模型，保持风机旋转区域静止，执行局部参考系变换来进行计算。该模型风机的设计是一种简单的集合参量模型，也就是Fluent Fan模式，将实际的轴流式风扇压缩成一个无限薄平面，作用效果通过设置多项式函数来实现，其中主要包含2方面的因素：一方面，风机鼓风作用可通过对风机性能曲线进行拟合实现，得到压升Δp与轴向速度u_z 的多项式，如式(4)所示；另一方面，由于轴流风机对气流有着强烈的旋转作用，需考虑切向速度，切向速度u_θ 与半径r的多项式关系如式(5)所示。

表1 风机设计运行参数

Tab. 1 The operation parameters of fan’s design

风机类型

设计流量/(m³/s)

风机直径/m

风机转速/(r/min)

风机

全压/Pa

叶片数目

轴功率/kW

轴流型

506.7

9.144

103.5

82.7

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图1

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图1 轴流风机性能曲线

Fig. 1 Performance curves of axial flow fan

∆ p = 173.799 6 - 5.794 u_{z} - 0.239 u_{z}^{2} - 0.063 2 u_{z}^{3}

(4)

u_{θ} = - 15.1 r^{- 1} + 25.76 - 11.791 r + 4.32 r^{2} - 0.354 r^{3}

(5)

机械电站冷端系统如图2所示，图中所示是实体风机和模型风机机械通风电站冷端系统的几何模型，该直接空冷系统由5×6呈矩形分布的“A”型空冷单位与厂房构成。其中“A”型空冷单位主要由水蒸气分配管道、翅片管束以及轴流风机构成。空冷岛平台高度为45 m，尺寸规模为69.90 m×63.40 m×15.00 m，步道长度为1.5 m，翅片管束外形尺寸为12.080 m×10.032 m×0.219 m。

图2

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图2 机械通风电站冷端系统

Fig. 2 Mechanical direct air cooling system

为保证模拟的准确性，建立与某电厂实际尺寸一致的几何模型，并建立如图3所示的计算域。其尺寸约为空冷岛尺寸的20倍，以此来消除外边界条件对中心区域数值模拟的影响，网格划分如图4所示。本文主要针对轴流风机实体模型与简化模型的差异进行研究，实体风机几何结构及网格划分情况如图5所示。实体风机区域中，叶片表面采用map格式的网格进行划分，其余部分加上尺寸函数，采用四面体网格。

图3

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图3 计算域示意图

Fig. 3 Schematic diagram of computational domain

图4

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图4 网格划分

Fig. 4 Illustration of meshes

图5

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图5 风机网格划分

Fig. 5 Illustration of fan meshes

计算域的边界条件选取如下：无风情况下，将计算域的四周设定为压力进口，上平面设置为压力输出，地面设置为绝热边界。环境风作用时，沿环境风方向，将上游入口设置为速度入口，并将编译的对应风速用户自定义函数导入。下游出口则设为压力出口界条件，内部计算域分块辅助面为内部面，主厂房等设置为等热流壁面。

1.3 模型验证

在同时考虑计算机性能以及数值模拟精度的条件下，对不同风机模型的直接空冷系统进行网格独立性验证，分别生成网格数为871万、1 028万和1 234万的3套网格，如表2所示。在无风条件下，通过迭代计算，得到空冷岛总空气体积流量变化情况。可以看出，不同网格数量之间，空气总体积流量误差最大为0.472 7%，因此选取网格数量为1 028万。文中所使用数值模拟方法和模型已在文献[6]进行了实验验证，保证了计算结果的准确性。

表2 体积流量的网格独立性实验

Tab. 2 Air volume flow rate for grid independence test

简化模型	网格数	空气的体积流量/(m³/s)
网格1	871万	15 372
网格2	1 028万	15 445
网格3	1 234万	15 495

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2 结果与讨论

2.1 空气流场及压力场分布

如图6所示，为了更清楚地展示实体风机模型与集总参数风机模型之间的差异，对空冷岛各个空冷单位风机进行了编号。该直接空冷系统轴流风机呈矩形分布，从左至右分为6列，从上至下分为5行，共包含30台空冷单位。同时，在图6中对风向角进行了定义，水平方位上环境风由左往右吹为0°风向角，竖直方向上环境风由下往上吹为90°风向角。

图6

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图6 空冷凝汽器单位编号及风向角方位

Fig. 6 Serial number of air-cooled condenser and wind directions

如图7所示，在无风条件下，不同风向角和不同风机模型所对应的竖直截面内的压力分布云图。可以看出，由于轴流风机的鼓风作用，在单位内形成了高压区域，以克服冷却空气流经翅片管束所产生的阻力。实体模型与简化模型所对应空冷岛各单位压力分布规律基本一致。如图8、9所示，在有风条件下，沿环境风作用方位，各个空冷单位压力分布差异较大。尤其是迎风面单位入口形成了较大的低压区，将影响轴流风机的气动性能，使得环境风流入空冷单位的驱动力减弱。另外，随风速增加，上游空冷单位进口低压区进一步扩大，受影响的空冷单位数量也向下游扩散。在低风速下，实体模型与简化模型压力分布差别并不明显。在高风速下，简化模型相比，在实体模型上游空冷单位内部存在一定范围的低压区域。总体而言，在环境风的作用下，空气冷却单位轴流式风扇的气动力特性显著下降，其作用的幅度随着气流速度的增大而增大，并且随着气流的增大，物理模式与简化模式之间的差别也越来越大。

图7

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图7 无风情况下，不同风机模型对应竖直截面内压力分布

Fig. 7 Pressure distributions in vertical sections at wind speed of 0 m/s for different fan models

图8

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图8 4 m/s风速下，不同风机模型所对应沿环境风向竖直截面内压力分布

Fig. 8 Pressure distributions in vertical section along wind direction at wind speed of 4 m/s for different fan models

图9

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图9 12 m/s风速下，不同风机模型所对应沿环境风向竖直截面内压力分布

Fig. 9 Pressure distributions in vertical section along wind direction at wind speed of 12 m/s for different fan models

在不同环境风速和风向角下，沿环境风方位竖直剖面内速度大小及流线分布情况如图10—12所示。可以看出，空冷单位内部气流呈旋转上升的趋势，在单位中心会形成低流速区。在无风条件下，实体模型空冷单位内部低流速区域范围比简化模型小。这是由于在简化模型外围靠近风筒位置的流速相对较高，导致不同模型空冷单位内流场产生明显差异。在低风速4 m/s时，由于环境风的作用，在上游空冷单位进口形成了流速较高的区域，导致该区域静压较低，影响风机性能。沿环境风流动方向，由于轴流风机的抽吸作用，环境风流速逐渐降低，导致下游空冷单位进口流速相对较低，有利于提升轴流风机性能。在高风速12 m/s时，空冷单位内外流场紊乱，受环境风不利影响的空冷单位范围明显增加，受影响程度也明显加剧。值得注意的是，空冷岛上游轴流风机受影响较为严重，但可以看出，实体模型上游空冷单位内部流速大小分布明显大于简化模型，其受环境风不利影响程度明显低于简化模型。

图10

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图10 无风情况下，不同风机模型对应竖直截面内速度大小及流线分布

Fig. 10 Velocity magnitude and streamline distributions in vertical section at wind speed of 0 m/s for different fan models

图11

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图11 4 m/s风速下，不同风机模型对应竖直截面内速度大小及流线分布

Fig. 11 Velocity magnitude and streamline distributions in vertical section at wind speed of 4 m/s for different fan models

图12

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图12 12 m/s风速下，不同风机模型对应竖直截面内速度大小及流线分布

Fig. 12 Velocity magnitude and streamline distributions in vertical section at wind speed of 12 m/s for different fan models

2.2 轴流风机冷却空气流量分布

图13

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图13 无风情况下各风机流量分布

Fig. 13 Flow rate distribution of fans in the absence of wind

图14

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图14 4 m/s风速下，不同风向角下各风机流量分布

under different wind directions

Fig. 14 Flow rate distribution of fans at wind speed of 4 m/s

在0°和90°风向角下，环境风速分别为0、4、12 m/s时，空冷岛各空冷单位轴流风机冷却空气流量变化情况分别如图13—15所示。

图15

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图15 12 m/s风速下，不同风向角下各风机流量分布

under different wind directions

Fig. 15 Flow rate distribution of fans at wind speed of 12 m/s

可以看出，在无风情况下，直接空冷系统各个轴流风机体积流量分布较为均匀，且不同风机模型之间差异较小。环境风对空冷岛顶风侧上游空冷单位轴流风机的作用力较大。0°风向角下，空冷岛第1列处于上游顶风面的位置，通过该位置空冷单位的冷却空气流量明显下降。当风速继续提高后，迎风侧轴流风机流动性能继续恶化，体积流量不断下降，远远低于正常工作流量。另外，除迎风侧的轴流风机，部分下游的轴流风机也受到一定的影响，性能有一定程度的下降，且该现象随着环境风速的增大变得越来越明显。与0°风向角不同的是，90°风向角下，背风侧空冷单位冷却空气流量随环境风速增加而增大，这是由于厂房的遮挡，阻碍了环境风的流动，增加了背风侧空冷单位进口静压，有利于风机性能的提升。结果表明，与简化模式相比，在实际风向的情况下，单位轴流风扇的制冷气流要高得多，特别是在大风时。

由于环境风作用下，0°风向角下顶风侧第1行以及90°风向角下顶风侧第5行空冷单位轴流风机机能受影响最为严重，且对于不同风机模型体现出的差异最明显，因此需进一步比较实体模型与简化模型对空冷岛输运性能的影响差异。不同风速、风向下迎风侧轴流风机的体积流量变化情况如图16所示。可以看出，在环境风速较小时，实体风机与风机模型所构建的直接空冷系统迎风侧轴流风机体积流量偏离正常工作点较少，即风机工作范围在性能曲线正常工作范围之内，故两者差异较小。然而当环境风速较大时，顶风侧轴流风机体积流量火速下滑，离开正常作业范围之内，到达低流量区域，此时厂家所供应的风机性能曲线已经严重脱离实际工作情况，导致通过风机模型的体积流量与实体风机严重不符，产生巨大差异。

图16

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图16 不同风速、风向下迎风侧轴流风机的流量

Fig. 16 Flow rate of windward axial flow fans under different wind speeds and directions

2.3 空冷岛冷却空气总流量变化规律

最终，在不同环境气象条件下，实体模型和简化模型的差异将反映在风机总流量的变化上。图17是不同环境风向和风速下空冷岛轴流风机总流量的变化情况。可以看出，在不同环境气象条件下，直接空冷机组风机总流量的变化趋势一致，即随环境风速增加，风机总流量呈现不同程度的降低，这是由于高风速使得风机进口流动畸变加剧，严重影响了轴流风机的性能。不同的是，在高风速12 m/s时，90°风向角对应的风机总流量有所回升，是由于主厂房的阻挡作用，导致下游位置风机性能有所回升。另外，有风条件下，在90°风向角对应的直接空冷系统的风机总流量均比0°风向角的风机总流量高，且相对来说受大风影响小，这也主要是由于下游厂房对环境风有一定的阻碍作用，增加了轴流风机入口气流静压，提升了轴流风机的性能。除此之外，无论是0°还是90°风向角，采用实体模型和简化模型的空冷岛风机总流量在低风速时均吻合较好，但差异随着风速的增加而增大，在4 m/s以下，这种差异几乎可以忽略，但当风速继续增加时，差异越来越大。这主要是由处于迎风侧上游低流量区的空冷单位轴流风机性能差异造成的，且随风速增加，低流量区的轴流风机数量增加。

图17

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图17 不同环境气象条件下空冷岛总流量变化规律

Fig. 17 Variation of total flow rate of air cooling island under various environmental conditions

3 结论

采用数值模拟方法，分别建立了采用轴流风机实体模型和简化模型的电站冷端系统的数学物理模型，研究了不同环境气象条件下采用实体模型和简化模型的直接空冷系统输运特性改变规律，获得了在各种环境条件下，直接空冷系统的流场和压力场的分布，并对直接空冷系统各轴流风机冷却空气流量进行了统计，绘制了风机总流量随环境气象前提的变化曲线。最后，对实体模型和简化模型进行了比较。通过对计算结果分析，得出以下结论：

1）环境风作用下，处于迎风侧的轴流风机受影响大，且风速越高，轴流风机性能越差，受影响范围越大；而处于下游的轴流风机所受影响相对较小，在90°风向角下，空冷岛下游风机性能甚至会出现强化的情形。

2）由于主厂房的遮挡作用，90°风向角下，电站冷端系统流动机能受影响程度比0°风向角小。

3）采用实体模型与简化模型的轴流风机差异主要体现在迎风侧低流量区的空冷单位，这是由于低流量区的风机性能曲线并不准确，还需进一步修正。

4）0°风向角下，在风速小于阈值2 m/s时，简化模型会高估风机流量；当风速大于该阈值时，简化模型会低估风机流量，且随风速增加，误差逐渐增大。在90°风向角下，简化模型与实体模型差异性变化规律与0°风向角类似，阈值出现在4 m/s。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

马义伟

．

发电厂空冷技术的现状与进展

[J]．电力设备，2006(3)：5-7． doi:JournalArticle/5ae3400cc095d70bd810f27a