地下水电站厂房气流组织CFD数值模拟方法研究

摘要

近年来，在我国实施西部大开发和西电东送战略的背景下，水电站建设在我国得到了蓬勃发展。地下水电站由于埋深大、封闭性强、自然换气不充分，厂房内容易出现闷热、潮湿、空气品质差等现象。因此合理的气流组织对保障地下水电站的生存环境和运行安全至关重要。
　　根据国内外已经发表的研究成果，对地下水电站厂房气流组织的研究方法主要有：相似模型试验、区域模型、CFD数值模拟。其中CFD数值模拟由于具有不受实际条件约束、能够保证洞室间关联性、结果更加直观等优点，在地下水电站厂房气流组织研究领域得到日益广泛的应用。值得注意的是，受基础理论与计算手段的限制，地下水电站厂房气流组织CFD数值中关于计算精度、网格结构、热源模型建立和湍流模型的参数设置等方面，存在着一些迫切需要解决的技术问题，值得进一步研究。本文是国家自然科学基金资助面上项目（51178482）“深埋地下水电站热湿环境形成机理与节能调控”的研究内容之一。
　　论文以白鹤滩水电站为研究对象，采用FLUENT软件对地下水电站厂房气流组织CFD数值模拟的数学物理模型建立、网格划分、边界条件设置过程中一些模拟方法进行了对比分析、讨论，得出了适宜于地下水电站厂房气流组织的CFD数值模拟方法；通过相同工况下相似模型试验与CFD数值模拟结果的对比、验证分析，发现采用两种研究手段所得到的结论基本吻合的，从而说明论文得出的地下水电站厂房气流组织CFD数值模拟方法是正确的、可靠的。论文研究成果及提出的数值模拟方法，可以为今后地下水电站厂房的气流组织CFD数值模拟提供一定的参考与借鉴。
　　论文具体研究工作及得到的主要结论如下：
　　①运用等体积法将地下主厂房中上部非规则的围护结构简化设置为规则的几何结构模型，并对简化前后的厂房气流组织效果进行了数值模拟对比分析，结果发现：在两种结构模型中，模拟得到的厂房内部温度场、速度场分布规律基本相同，两者误差在5％以内；从而说明，为了降低建模工作量和网格划分难度、减小模拟运算量，地下水电站厂房围护结构物理模型可以按照等体积法将主厂房中上部非规则围护结构简化设置为规则几何结构模型。
　　②将发热设备分别设置为发热均匀的体热源与面热源，并对两种热源设置条件下的厂房气流组织效果进行了数值模拟对比分析，结果发现：在两种热源设置条件下，模拟得到的厂房内部温度场、速度场分布规律基本相同，其误差均在5%以内。从而说明，为了便于收敛、边界条件设置和网格划分，发热设备可以设置为发热均匀的面热源。
　　③对将照明设备设置为屋顶面发热均匀的面热源的模型与按照照明设备实际尺寸建立的模型进行了对比模拟分析，两个模型的温度场和速度场分布规律相同，数据误差在5%以内。为了使模型更容易收敛，宜将照明设备设置为屋顶面发热均匀的面热源。
　　④分别采用非结构网格和混合网格进行了地下水电站厂房进行了网格划分，当混合网格的网格单元数量为120000个和非结构网格的网格单元数量为200000个时，两者的模拟结果与理论计算值的相对误差为1.64%。从而说明，为了降低了网格单元的数量，节约计算时间，对地下水电站厂房进行网格划分时宜采用混合网格。
　　⑤对地下水电站厂房中的发热设备的换热方式是否应该考虑辐射换热进行了对比模拟分析，通过对速度场、温度场和数据三个方面的对比分析，说明了在对地下水电站气流组织的数值模拟中发热设备的辐射换热不能够被忽略，发热设备换热方式应该是由对流换热和辐射换热两种方式组成复合换热才更加合理。
　　⑥通过对地下水电站的送风管道进行对比模拟分析，说明了用经验公式计算地下水电站中的送风口的湍动能值和耗散率值将会产生误差。将送风管道对比模拟的结果作为送风口的边界条件，对地下水电站的厂房内速度场、温度场进行对比模拟分析，说明了经验公式产生的误差不会对厂房内的速度场和温度场造成明显的影响，能够满足工程精度要求。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 地下水电站厂房气流组织的研究现状

1.3 研究内容和方法

2 数学理论及求解方法

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.3 辐射模型

2.4 边界条件

2.5 数值解法

2.6 本章小结

3 物理模型建立

3.1 围护结构物理模型建立

3.2 发热设备物理模型建立

3.3 照明设备物理模型建立

3.4 网格划分

3.5 本章小结

4 边界条件设置

4.1 发热设备边界条件设置

4.2 送风口边界条件设置

4.3 本章小结

5 相似模型试验验证

5.1 白鹤滩水电站工程概况

5.2 模型试验台设计

5.3 CFD数值模拟

5.4 CFD数值模拟与模型试验结果对比分析

5.5 本章小结

6 结论与建议

6.1 研究结论

6.2 后续研究建议

致谢

参考文献

附录

A. CFD数值模拟参数设置表

B. 循环风口UDF程序