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高大厂房超长距离一端均匀送风研究

PAGE 259 高大厂房超长距离一端均匀送风研究 惠磊1 付祥钊1 肖益民1 刘勇1 范静龙2 (1重庆大学城市建设与环境工程学院 2 上海飞羿计算机仿真技术有限公司) 1 前言 目前设计待建的溪洛渡水电站是仅次于三峡的全国第二大水电站。电站厂房深埋于地下400m以下。主厂房发电机层有9个机组段,各机组段结构基本相同,其热源近似为均匀分布,要求主厂房发电机层空调系统 设计为均匀送风。空调送风量高达。如此大的风量所要求的风管断面尺寸过大,难以布置在厂房两侧,故利用主厂房拱顶作为送风道对发电机层进行均匀送风[1]。为减小施工难度,节约投资和减少运行管理工作量,希望能从拱顶的一端送风,且风道截面积及送风口种类大小均保持不变。 主厂房长度近400m,对如此长的距离一端送风,能否达到均匀是设计和建设单位所共同担心的问题,同时也关系到主厂房送风拱顶在水电站地下洞室群通风系统网络化模拟中如何建模的问题。本文利用CFD技术以及模型实验对溪洛渡地下电站主厂房拱顶进行研究。 2 主厂房拱顶一端均匀送风可行性的CFD数值分析与优化 2.1 CFD数值分析方案 如图1,主厂房共有9个机组段和主副2个安装间。根据发电设备分配情况,决定每个机组段和主安装间各设4个风口,副安装间设2个风口,共42个风口,要求每个风口送风量相同。 图1 发电机层及安装间风口布置方案 在总送风量,风口个数和风口位置已定的情况下,采用CFD通用商业软件PHOENICS对一端送风的主厂房拱顶内及风口处气流进行了模拟: 1)相同风口尺寸(),不同风口形式的比较。3种风口形式如图2所示: 图2 风口形式示意图 其中风口形式1为直接在拱顶底部开风口;风口形式2为在拱顶底部安装下突450mm的风口;风口形式3为拱顶底部开1.2m×1.2m风口,下装下突450mm的风口。通过CFD数值模拟在这三者中选优。 2)在由模拟1)选得的风口形式下对不同风口尺寸进行模拟。 2.2 湍流模型和壁面函数的选取 鉴于不考虑温度对拱顶内空气流动的影响,拱顶内气流为三维湍流流动,空气密度不变,动量守恒中,密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可认为为零。由于k-ε双方程湍流模型能较好地解决此类湍流流动。所以选择k-ε湍流模型来描述这种具有一定初始动量(送风速度)的气体流动的湍流模型。而PHOENICS中提供了多种k-ε两方程模型。其中标准k-ε两方程模型是应用最为广泛的湍流模型,它忽略了分子粘性,对于离开壁面一定距离以上的湍流区域具有相当高的适用性。但在与壁面相邻的粘性底层,由于Re数很低,必须充分考虑分子粘性的影响,所以必须对标准k-ε两方程模型进行改进。对于与壁面接触的这部分区域的处理一般有两种方法,一种是采用低Re数模型,另一种则是用壁面函数法。由于低Re数模型必须在粘性底层设置节点,需要花费较多的计算机 资源,因此一般更为常用的是采用壁面函数法。PHOENICS中提供了以下4种壁面函数:1)布拉修斯公式(Blasius);2)对数律(Log-law);3)通用对数律(General-log-law);4)完全粗糙对数律(Fully-rough)。对数律假定湍流局部守恒,是求解湍流近壁速度分布的最一般方式。对于本次模拟而言,由于存在着明显的相对于壁面的湍流能量扩散,因此对数律不再适用。故本次模拟采用通用对数律来计算非局部守恒的情况。在PHOENICS中对壁面粗糙度进行设定,按照实际情况,设定拱顶壁面绝对粗糙度为5cm,以实现对其沿程阻力的模拟。 2.3 边界条件的确定 主厂房送风拱顶的物理模型完全按照与实体模型相同的几何尺寸、形状和布置,将送风拱顶壁面设置为绝热边界条件,设定其壁面粗糙度为5cm。空调送风经过副厂房后才送至送风拱顶,由于副厂房空间较大,起到了一个“静压箱”的作用,使得送风拱顶初始断面的风速分布较为均匀,故在此设定送风拱顶初始断面为速度已知的速度边界条件(INLET),对于送风拱顶下壁面的风口由于其与发电机层相通,发电机层作为一个高大空间可近似认为其压力分布均匀,故将风口设置为压力边界条件(OUTLET)。 2.4 数值模拟结果及分析 划分主厂房拱顶内气流网格,将微分方程的扩散项、对流项、压力项和源项在控制体上采用不同的格式进行离散求解。根据输入参数、设定的边界条件、给出的初始流场和迭代次数,调整松弛因子,运行和调试软件。最后调整的网格单元为在拱顶长度方向按0.50米,拱顶宽度方向按0.10米,拱顶高度方向按0.20米,控制计算的收敛条件为压力、速度以及湍流变量的累加残值小于10-3。 2.4.1 风口气流状况 3种风口形式的送风气流矢量沿拱顶风道长度方向变化情况如图4.3所示: (a)风口形式1 (a)The first outlet type (b)风口

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