地下水電站進(jìn)風(fēng)道氣流參數(shù)通用計(jì)算模型研究.pdf

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

2、基礎(chǔ)上，提出建立通用計(jì)算模型與計(jì)算方法的思路。目前的工程計(jì)算理論及研究方法主要有工程計(jì)算法，圖解法，模型實(shí)驗(yàn)法，CFD軟件模擬法。工程計(jì)算法雖然總體上正確反映了各物理量對(duì)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(jìn)風(fēng)參數(shù)視為簡(jiǎn)諧性變化或恒定不變，與實(shí)際情況不符；2)僅考慮通風(fēng)量的幾種間歇通風(fēng)工作班制的工況或視為恒定值，與實(shí)際通風(fēng)工況的復(fù)雜性不符；3)空氣結(jié)露放出相變熱，對(duì)氣流參數(shù)變化有較大影響，工程計(jì)算法在計(jì)算結(jié)露段的氣流參

3、數(shù)時(shí)，認(rèn)為風(fēng)道進(jìn)風(fēng)參數(shù)恒定，壁面溫度為年平均地溫，與實(shí)際情況不符；4)工程計(jì)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(shí)也容易引入查圖誤差，降低計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。圖解法是在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)出的一種經(jīng)驗(yàn)方法，在應(yīng)用時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)道長(zhǎng)度及壁面結(jié)構(gòu)形式有所限制，不是一種通用的計(jì)算方法。并且該方法是對(duì)夏季空氣溫降的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方式，無法反映全年的不同時(shí)間的氣流參數(shù)變化情況。模型實(shí)驗(yàn)法則存在投資大

4、、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。CFD軟件模擬法為了保證計(jì)算精度及計(jì)算穩(wěn)定性，往往采用較小的模型網(wǎng)格間距及時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。并且該類問題通常需要連續(xù)計(jì)算數(shù)年，導(dǎo)致軟件一般要連續(xù)運(yùn)行幾天才能完成計(jì)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(zhǔn)備工作繁瑣、對(duì)工程技術(shù)人員專業(yè)知識(shí)要求高等缺點(diǎn)。
　　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(fēng)道幾何與物理?xiàng)l件、風(fēng)道的通風(fēng)工況三大要素的、符合工程實(shí)際

5、情況的通用數(shù)學(xué)模型。采用先進(jìn)的計(jì)算方法，建立計(jì)算程序?qū)νㄓ脭?shù)學(xué)模型求解，從而避免對(duì)模型簡(jiǎn)化過多，增加計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(jì)算軟件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
　?、诮⑺娬镜叵逻M(jìn)風(fēng)道的通用數(shù)學(xué)模型及其求解方法。將進(jìn)風(fēng)道簡(jiǎn)化為“當(dāng)量圓柱體模型”，減小計(jì)算難度。提出等周長(zhǎng)、等面積、等邊界對(duì)流換熱三種簡(jiǎn)化方式，根據(jù)傳熱與實(shí)際風(fēng)道最接近的原則，進(jìn)行分析比較，得出按“等截面周長(zhǎng)”方法為最優(yōu)簡(jiǎn)化方法。依據(jù)傳熱學(xué)、

6、工程熱力學(xué)的基本方程，應(yīng)用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)，建立了水電站地下風(fēng)道氣流參數(shù)計(jì)算通用數(shù)學(xué)模型。
　　按照“離散求解的思想”，在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，建立了完整的離散計(jì)算模型，采用空間、時(shí)間域交替進(jìn)行、逐步推進(jìn)的動(dòng)態(tài)算法進(jìn)行計(jì)算?？臻g縱向方向上的離散，將風(fēng)道劃分為若干個(gè)“控制單元”，根據(jù)工程實(shí)際，劃分距離選取10m。離散過程采用顯示差分格式，對(duì)模型穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，得到網(wǎng)格間距 rD與時(shí)間步長(zhǎng) tD的關(guān)系式：>D0 r0017.tD。為了提高

7、計(jì)算精度，應(yīng)盡量降低 rD及D，但是當(dāng) tD很小時(shí)，將不能保證單元體區(qū)域的穩(wěn)定性，且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。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(jì)算速度較快。t
　　③開發(fā)了水電站地下風(fēng)道氣流參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算程序及應(yīng)用軟件。采用 C語言編制計(jì)算程序，該程序充分考慮了實(shí)際工程運(yùn)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(yīng)用軟件，該軟件能夠輸出計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)的任意時(shí)刻的氣流參數(shù)及壁面溫度；輸

8、入操作簡(jiǎn)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(fēng)、南椏河冶勒、十三陵、二灘等四個(gè)水電站進(jìn)風(fēng)道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。進(jìn)風(fēng)溫度較高的時(shí)刻誤差相對(duì)較大，為1.8℃左右，這主要是由于測(cè)量誤差引起的，其余時(shí)刻均能保證誤差在1℃之內(nèi)，證實(shí)了軟件計(jì)算結(jié)果的合理性、準(zhǔn)確性。
　?、莘治隽耸彝饪諝鈪?shù)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸及風(fēng)速、巖體的熱物性