地下水電站進風道氣流參數(shù)通用計算模型研究.pdf

1、地下水電站廠房一般均通過通風洞、交通洞或其它地下通道由室外引入新風。由于巖體的蓄熱蓄冷作用，空氣流經(jīng)這些通道時，將與洞壁巖體進行熱濕交換，夏季新風溫度將會降低，冬季則將會升高。正確地利用地下風道巖體這種對空氣的處理能力，將有效降低工程建設(shè)初投資及運行管理費用。目前，在國家大力提倡節(jié)能的大背景下，深入研究地下風道熱工計算問題更具有現(xiàn)實意義。
　　本文主要開展了如下幾方面研究：
　?、僭诜治鲈u價現(xiàn)有的各種工程計算理論及研究方法的

2、基礎(chǔ)上，提出建立通用計算模型與計算方法的思路。目前的工程計算理論及研究方法主要有工程計算法，圖解法，模型實驗法，CFD軟件模擬法。工程計算法雖然總體上正確反映了各物理量對氣流參數(shù)的影響特征和基本規(guī)律，但也存在一些不足：1)將進風參數(shù)視為簡諧性變化或恒定不變，與實際情況不符；2)僅考慮通風量的幾種間歇通風工作班制的工況或視為恒定值，與實際通風工況的復雜性不符；3)空氣結(jié)露放出相變熱，對氣流參數(shù)變化有較大影響，工程計算法在計算結(jié)露段的氣流參

3、數(shù)時，認為風道進風參數(shù)恒定，壁面溫度為年平均地溫，與實際情況不符；4)工程計算法中引入了大量的特殊函數(shù)，并且要通過查圖表的方式獲得結(jié)果。但這些圖表的適用范圍有限，同時也容易引入查圖誤差，降低計算結(jié)果的準確度。圖解法是在實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)出的一種經(jīng)驗方法，在應用時對進風道長度及壁面結(jié)構(gòu)形式有所限制，不是一種通用的計算方法。并且該方法是對夏季空氣溫降的一種簡化計算方式，無法反映全年的不同時間的氣流參數(shù)變化情況。模型實驗法則存在投資大

4、、實驗周期長等缺點。CFD軟件模擬法為了保證計算精度及計算穩(wěn)定性，往往采用較小的模型網(wǎng)格間距及時間步長，計算時間較長。并且該類問題通常需要連續(xù)計算數(shù)年，導致軟件一般要連續(xù)運行幾天才能完成計算，顯然不符合工程人員的需要。CFD軟件模擬法還存在事前準備工作繁瑣、對工程技術(shù)人員專業(yè)知識要求高等缺點。
　　因此，在這一背景下，解決這一工程問題的基本思路是：建立全面反映室外氣象參數(shù)、風道幾何與物理條件、風道的通風工況三大要素的、符合工程實際

5、情況的通用數(shù)學模型。采用先進的計算方法，建立計算程序?qū)νㄓ脭?shù)學模型求解，從而避免對模型簡化過多，增加計算結(jié)果的準確性和信息的豐富性，并且提供便于工程技術(shù)人員使用的計算軟件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
　?、诮⑺娬镜叵逻M風道的通用數(shù)學模型及其求解方法。將進風道簡化為“當量圓柱體模型”，減小計算難度。提出等周長、等面積、等邊界對流換熱三種簡化方式，根據(jù)傳熱與實際風道最接近的原則，進行分析比較，得出按“等截面周長”方法為最優(yōu)簡化方法。依據(jù)傳熱學、

6、工程熱力學的基本方程，應用圓柱坐標系統(tǒng)，建立了水電站地下風道氣流參數(shù)計算通用數(shù)學模型。
　　按照“離散求解的思想”，在時間和空間上進行離散，建立了完整的離散計算模型，采用空間、時間域交替進行、逐步推進的動態(tài)算法進行計算。空間縱向方向上的離散，將風道劃分為若干個“控制單元”，根據(jù)工程實際，劃分距離選取10m。離散過程采用顯示差分格式，對模型穩(wěn)定性進行判斷，得到網(wǎng)格間距 rD與時間步長 tD的關(guān)系式：>D0 r0017.tD。為了提高

7、計算精度，應盡量降低 rD及D，但是當 tD很小時，將不能保證單元體區(qū)域的穩(wěn)定性，且計算時間較長。綜合考慮取 tD=300s，則 rD>0.03m，取 rD=0.05m，滿足穩(wěn)定性要求，并且計算速度較快。t
　?、坶_發(fā)了水電站地下風道氣流參數(shù)動態(tài)計算程序及應用軟件。采用 C語言編制計算程序，該程序充分考慮了實際工程運行工況、空氣結(jié)露現(xiàn)象、壁面襯砌結(jié)構(gòu)等。開發(fā)了應用軟件，該軟件能夠輸出計算時間范圍內(nèi)的任意時刻的氣流參數(shù)及壁面溫度；輸

8、入操作簡單方便，輸出數(shù)據(jù)采用文字、數(shù)據(jù)表格、圖形相結(jié)合的方法，提供信息豐富；軟件自帶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并且允許用戶自行完善數(shù)據(jù)庫信息。
　?、芾脰|風、南椏河冶勒、十三陵、二灘等四個水電站進風道的實測數(shù)據(jù)，對軟件計算結(jié)果進行檢驗。進風溫度較高的時刻誤差相對較大，為1.8℃左右，這主要是由于測量誤差引起的，其余時刻均能保證誤差在1℃之內(nèi)，證實了軟件計算結(jié)果的合理性、準確性。
　?、莘治隽耸彝饪諝鈪?shù)、風道結(jié)構(gòu)尺寸及風速、巖體的熱物性