地下水电站进风道气流参数通用计算模型研究

论文摘要

地下水电站厂房一般均通过通风洞、交通洞或其它地下通道由室外引入新风。由于岩体的蓄热蓄冷作用,空气流经这些通道时,将与洞壁岩体进行热湿交换,夏季新风温度将会降低,冬季则将会升高。正确地利用地下风道岩体这种对空气的处理能力,将有效降低工程建设初投资及运行管理费用。目前,在国家大力提倡节能的大背景下,深入研究地下风道热工计算问题更具有现实意义。本文主要开展了如下几方面研究:①在分析评价现有的各种工程计算理论及研究方法的基础上,提出建立通用计算模型与计算方法的思路。目前的工程计算理论及研究方法主要有工程计算法,图解法,模型实验法,CFD软件模拟法。工程计算法虽然总体上正确反映了各物理量对气流参数的影响特征和基本规律,但也存在一些不足:1)将进风参数视为简谐性变化或恒定不变,与实际情况不符;2)仅考虑通风量的几种间歇通风工作班制的工况或视为恒定值,与实际通风工况的复杂性不符;3)空气结露放出相变热,对气流参数变化有较大影响,工程计算法在计算结露段的气流参数时,认为风道进风参数恒定,壁面温度为年平均地温,与实际情况不符;4)工程计算法中引入了大量的特殊函数,并且要通过查图表的方式获得结果。但这些图表的适用范围有限,同时也容易引入查图误差,降低计算结果的准确度。图解法是在实测数据的基础上,分析总结出的一种经验方法,在应用时对进风道长度及壁面结构形式有所限制,不是一种通用的计算方法。并且该方法是对夏季空气温降的一种简化计算方式,无法反映全年的不同时间的气流参数变化情况。模型实验法则存在投资大、实验周期长等缺点。CFD软件模拟法为了保证计算精度及计算稳定性,往往采用较小的模型网格间距及时间步长,计算时间较长。并且该类问题通常需要连续计算数年,导致软件一般要连续运行几天才能完成计算,显然不符合工程人员的需要。CFD软件模拟法还存在事前准备工作繁琐、对工程技术人员专业知识要求高等缺点。因此,在这一背景下,解决这一工程问题的基本思路是:建立全面反映室外气象参数、风道几何与物理条件、风道的通风工况三大要素的、符合工程实际情况的通用数学模型。采用先进的计算方法,建立计算程序对通用数学模型求解,从而避免对模型简化过多,增加计算结果的准确性和信息的丰富性,并且提供便于工程技术人员使用的计算软件与基础数据库。②建立水电站地下进风道的通用数学模型及其求解方法。将进风道简化为“当量圆柱体模型”,减小计算难度。提出等周长、等面积、等边界对流换热三种简化方式,根据传热与实际风道最接近的原则,进行分析比较,得出按“等截面周长”方法为最优简化方法。依据传热学、工程热力学的基本方程,应用圆柱坐标系统,建立了水电站地下风道气流参数计算通用数学模型。按照“离散求解的思想”,在时间和空间上进行离散,建立了完整的离散计算模型,采用空间、时间域交替进行、逐步推进的动态算法进行计算。空间纵向方向上的离散,将风道划分为若干个“控制单元”,根据工程实际,划分距离选取10m。离散过程采用显示差分格式,对模型稳定性进行判断,得到网格间距Δr与时间步长Δτ的关系式:Δr >0.0017Δτ。为了提高计算精度,应尽量降低Δr及Δτ,但是当Δτ很小时,将不能保证单元体区域的稳定性,且计算时间较长。综合考虑取Δτ=300s,则Δr >0.03m,取Δr =0.05m,满足稳定性要求,并且计算速度较快。③开发了水电站地下风道气流参数动态计算程序及应用软件。采用C语言编制计算程序,该程序充分考虑了实际工程运行工况、空气结露现象、壁面衬砌结构等。开发了应用软件,该软件能够输出计算时间范围内的任意时刻的气流参数及壁面温度;输入操作简单方便,输出数据采用文字、数据表格、图形相结合的方法,提供信息丰富;软件自带基础数据库,并且允许用户自行完善数据库信息。④利用东风、南桠河冶勒、十三陵、二滩等四个水电站进风道的实测数据,对软件计算结果进行检验。进风温度较高的时刻误差相对较大,为1.8℃左右,这主要是由于测量误差引起的,其余时刻均能保证误差在1℃之内,证实了软件计算结果的合理性、准确性。⑤分析了室外空气参数、风道结构尺寸及风速、岩体的热物性参数、通风工况等因素对进风气流参数的影响规律,以大量的软件模拟计算结果为基础,拟合出适合工程应用的夏季设计温降简化计算公式。对拟合公式与软件计算结果进行对比,相对误差在6%以内,证实了该简化公式的可用性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题工程意义
• 1.3 国外研究概况
• 1.4 国内计算方法现状
• 1.4.1 《水电站机电设计手册》中的方法
• 1.4.2 《地下建筑暖通空调设计手册》中的方法
• 1.4.3 《地下水电站厂房设计》中的方法
• 1.4.4 《地下工程热工计算方法》中的方法
• 1.4.5 胡凤山提出的图解法
• 1.5 国内相关研究现状
• 1.5.1 等热流计算方法
• 1.5.2 模型实验法
• 1.5.3 CFD 软件模拟法
• 1.6 本课题的研究思路
• 2 水电站地下风道气流参数计算通用数学模型的建立
• 2.1 地下风道气流参数变化的物理模型与基本特征
• 2.1.1 物理模型
• 2.1.2 传热及气流参数变化的基本特征
• 2.2 地下风道气流参数计算的基本方程与影响因素
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 气流参数的影响因素
• 2.3 当量圆柱体半径的确定方法
• 2.3.1 当量圆柱体模型的概念
• 2.3.2 模型转化方法的提出
• 2.3.3 模型转化方法的检验
• 2.4 水电站地下风道气流参数的通用数学模型
• 2.4.1 动态数学模型的建立
• 2.4.2 数学模型的计算思路
• 2.4.3 数学模型的差分方程组
• 2.4.4 差分方程计算稳定性判断
• 2.5 本章小结
• 3 计算程序与软件开发
• 3.1 计算程序流程图
• 3.2 软件设计理念
• 3.3 软件结构图
• 3.4 软件主界面介绍
• 3.5 基础数据库的建立
• 3.5.1 气象参数数据库
• 3.5.2 岩体及衬砌材料参数数据库
• 3.6 软件提取工程设计参数的方法
• 3.7 软件功能简介
• 3.8 软件操作简介
• 3.8.1 工程概况参数
• 3.8.2 风道参数
• 3.8.3 气流参数
• 3.8.4 通风工况
• 3.8.5 数据计算
• 3.9 本章小结
• 4 软件计算结果的验证
• 4.1 实测数据分析
• 4.1.1 分析实测数据的完整性
• 4.1.2 分析实测数据的正确性
• 4.2 软件计算结果验证
• 4.2.1 贵州东风水电站的验证计算
• 4.2.2 四川南桠河冶勒水电站的验证计算
• 4.2.3 北京十三陵水电站的验证计算
• 4.2.4 四川二滩水电站的验证计算
• 4.3 本章小结
• 5 气流参数变化规律及各影响因素分析
• 5.1 气流参数变化规律
• 5.1.1 工程设计工况气流参数
• 5.1.2 不同位置断面的气流参数分析
• 5.1.3 典型日计算数据分析
• 5.2 气流参数影响因素模拟分析
• 5.2.1 室外气象温度的影响
• 5.2.2 地下风道结构尺寸及风速的影响
• 5.2.3 风道围护结构材料的物性参数的影响
• 5.2.4 衬砌层厚度的影响
• 5.2.5 地下风道间歇通风的影响
• 5.3 本章小结
• 6 夏季设计温降简化计算公式的确定及应用
• 6.1 温降简化计算公式的确定
• 6.1.1 温降计算公式的导出
• 6.1.2 确定温降公式系数
• 6.1.3 温降公式计算结果验证
• 6.2 最佳风道尺寸的确定方法
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 不足之处与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录