地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、近年來，在我國(guó)實(shí)施西部大開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的背景下，水電站建設(shè)在我國(guó)得到了蓬勃發(fā)展。地下水電站由于埋深大、封閉性強(qiáng)、自然換氣不充分，廠房?jī)?nèi)容易出現(xiàn)悶熱、潮濕、空氣品質(zhì)差等現(xiàn)象。因此合理的氣流組織對(duì)保障地下水電站的生存環(huán)境和運(yùn)行安全至關(guān)重要。
　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表的研究成果，對(duì)地下水電站廠房氣流組織的研究方法主要有：相似模型試驗(yàn)、區(qū)域模型、CFD數(shù)值模擬。其中CFD數(shù)值模擬由于具有不受實(shí)際條件約束、能夠保證洞室間關(guān)聯(lián)性、結(jié)果更加直

2、觀等優(yōu)點(diǎn)，在地下水電站廠房氣流組織研究領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。值得注意的是，受基礎(chǔ)理論與計(jì)算手段的限制，地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值中關(guān)于計(jì)算精度、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、熱源模型建立和湍流模型的參數(shù)設(shè)置等方面，存在著一些迫切需要解決的技術(shù)問題，值得進(jìn)一步研究。本文是國(guó)家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目（51178482）“深埋地下水電站熱濕環(huán)境形成機(jī)理與節(jié)能調(diào)控”的研究?jī)?nèi)容之一。
　　論文以白鶴灘水電站為研究對(duì)象，采用FLUENT軟件對(duì)地下水電站

3、廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)物理模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置過程中一些模擬方法進(jìn)行了對(duì)比分析、討論，得出了適宜于地下水電站廠房氣流組織的CFD數(shù)值模擬方法；通過相同工況下相似模型試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比、驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)采用兩種研究手段所得到的結(jié)論基本吻合的，從而說明論文得出的地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬方法是正確的、可靠的。論文研究成果及提出的數(shù)值模擬方法，可以為今后地下水電站廠房的氣流組織CFD數(shù)值模擬提供一定的

4、參考與借鑒。
　　論文具體研究工作及得到的主要結(jié)論如下：
　?、龠\(yùn)用等體積法將地下主廠房中上部非規(guī)則的圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)置為規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)簡(jiǎn)化前后的廠房氣流組織效果進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在兩種結(jié)構(gòu)模型中，模擬得到的廠房?jī)?nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布規(guī)律基本相同，兩者誤差在5％以內(nèi)；從而說明，為了降低建模工作量和網(wǎng)格劃分難度、減小模擬運(yùn)算量，地下水電站廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理模型可以按照等體積法將主廠房中上部非規(guī)則圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

5、化設(shè)置為規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)模型。
　?、趯l(fā)熱設(shè)備分別設(shè)置為發(fā)熱均勻的體熱源與面熱源，并對(duì)兩種熱源設(shè)置條件下的廠房氣流組織效果進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在兩種熱源設(shè)置條件下，模擬得到的廠房?jī)?nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布規(guī)律基本相同，其誤差均在5%以內(nèi)。從而說明，為了便于收斂、邊界條件設(shè)置和網(wǎng)格劃分，發(fā)熱設(shè)備可以設(shè)置為發(fā)熱均勻的面熱源。
　?、蹖?duì)將照明設(shè)備設(shè)置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源的模型與按照照明設(shè)備實(shí)際尺寸建立的模型進(jìn)行了對(duì)比模

6、擬分析，兩個(gè)模型的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布規(guī)律相同，數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)。為了使模型更容易收斂，宜將照明設(shè)備設(shè)置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源。
　?、芊謩e采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格進(jìn)行了地下水電站廠房進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，當(dāng)混合網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為120000個(gè)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為200000個(gè)時(shí)，兩者的模擬結(jié)果與理論計(jì)算值的相對(duì)誤差為1.64%。從而說明，為了降低了網(wǎng)格單元的數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)地下水電站廠房進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)宜采用混合網(wǎng)格。

7、
　?、輰?duì)地下水電站廠房中的發(fā)熱設(shè)備的換熱方式是否應(yīng)該考慮輻射換熱進(jìn)行了對(duì)比模擬分析，通過對(duì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和數(shù)據(jù)三個(gè)方面的對(duì)比分析，說明了在對(duì)地下水電站氣流組織的數(shù)值模擬中發(fā)熱設(shè)備的輻射換熱不能夠被忽略，發(fā)熱設(shè)備換熱方式應(yīng)該是由對(duì)流換熱和輻射換熱兩種方式組成復(fù)合換熱才更加合理。
　?、尥ㄟ^對(duì)地下水電站的送風(fēng)管道進(jìn)行對(duì)比模擬分析，說明了用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地下水電站中的送風(fēng)口的湍動(dòng)能值和耗散率值將會(huì)產(chǎn)生誤差。將送風(fēng)管道對(duì)比模擬的結(jié)果