地下水电站电缆层重气扩散特性数值模拟及通风控制研究

摘要

近几十年来,受能源危机的影响,水电能源又以其所具有的清洁性和可再生性,使得世界许多国家投入到大规模地建设水电站之中。水力资源的优越性能以及目前严重的能源短缺问题,使得水电站建设在我国的能源战略中越来越重要。要使建成后的水电站GIS电缆层投入正常运行,必须要保证电缆层内有一个适宜的安全环境。GIS电缆层的通风系统其设计质量的优劣将直接影响到工作人员的工作效率、人身安全和整个厂房机器设备的正常运行。本文结合北盘江光照水电站地下GIS电缆层通风模型试验这一委托科研项目,运用相似模型试验和CFD数值模拟相结合的方法,对地下水电站电缆层重气泄漏扩散防护通风技术进行了研究。本文通过对电缆层进行数值模拟获得了电缆层冷态和热态下的浓度分布情况,得出了可以用冷态来代替热态下试验的结论。通过CFD数值模拟与相似模型试验对北盘江水电站电缆层速度场、SF6浓度场、压力场结果的对比,验证了CFD数值模拟方法对于此类空间SF6浓度场分布模拟的可行性和可靠性。而后通过CFD数值模拟来分析电缆层冷态下SF6浓度场分布及其各个主要影响因素。通过分析,电缆层的绝对粗糙度对SF6浓度场分布影响较小。从内部设备的布置来说,电缆和内部开关设备的多少及其布置方式对SF6浓度场分布影响较大,排风口处风机的台数及位置和风口的排风量影响较大。从泄漏源自身泄漏情况来说,泄漏量和泄漏口位置及数量对SF6浓度场分布影响较大。在设定泄漏源位于最不利扩散的位置情况下,通过变化排风口的位置,得出不同工况下的最佳排风口位置。在此基础上通过变化排风量、泄漏量分析得出冷态下SF6浓度场分布差异,并得出在各个影响因素下,电缆层的SF6浓度场分布曲线,从而拟合出排风量、泄漏量等影响情况下的SF6浓度场分布的回归方程。除此之外,在我国化工、石油、天然气等行业以及包括电站在内的某些地下厂房中,生产、储存和使用着各种类型的危险物质,包括易燃易爆或有毒性的重气体。这些危险物质一旦意外泄漏或释放,势必污染环境,危及人身安全。因此,本文以特定水地下电站电缆层SF6重气泄漏扩散问题的研究为基础,对研究范围进行适度拓展,对液化石油气、氯气的泄漏扩散特性也进行了模拟,研究了不同重气在地下大空间泄漏的扩散规律,进而摸清适用于重气体的普遍扩散规律,以利提出相应的防治技术措施。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 大气环境中重气扩散问题的研究现状

1.2.1 源释放

1.2.2 气云的形成过程

1.2.3 重气的扩散过程

1.2.4 重气扩散数值模拟研究现状

1.3 建筑空间污染物扩散的数值模拟研究现状

1.4 本论文研究方法、主要内容和目的

2 数值模拟及相似模型试验的理论基础

2.1 数值模拟的通用软件和定解条件

2.1.1 CFD 通用软件PHOENICS 的特点分析

2.1.2 PHOENICS 的理论基础

2.1.3 PHOENICS 的紊流模型和壁面函数

2.2 定解条件

2.2.1 计算域

2.2.2 边界条件

2.3 模型试验的相似理论

2.3.1 相似准则的确定方法

2.3.2 本论文涉及的相似理论

2.3.3 电缆层模型相似定律的确定

2.3.4 冷态机械排风系统模型相似定律的确定

2.4 相似比例尺

2.4.1 几何比例尺

2.4.2 速度比例尺

2.4.3 温度比例尺

2.4.4 排风量比例尺

2.4.5 泄漏量比例尺

2.4.6 时间比例尺

2.5 试验数据的处理方法

2.5.1 无因次距离

2.5.2 无因次排风量

2.5.3 污染气体无因次质量泄漏量

2.5.4 污染气体无因次浓度

2.5.5 无因次风速

3 连续外逸状态SF_6 的扩散过程的数值模拟

3.1 网格划分对数值模拟结果的影响

3.1.1 网格划分方案一

3.1.2 网格划分方案二

3.1.3 网格划分方案三

3.1.4 网格划分方案四

3.1.5 四种方案数值模拟结果

3.2 发热量对数值模拟结果的影响

3.2.1 发热量对浓度场的影响

3.2.2 发热量对速度场的影响

3.2.3 发热量对压力场的影响

3.2.4 本节小结

3.3 不同排风口位置和个数对电缆层SF6扩散的影响

3.3.1 排风口的布置方式对浓度场的影响

3.3.2 排风口的个数对SF_6扩散的影响

3.3.3 本节小结

3.4 不同换气量对电缆层SF_6扩散的影响

3.4.1 模拟计算条件与工况

3.4.2 本节小结

3.5 不同泄漏量对电缆层SF_6扩散的影响

3.5.1 模拟计算条件与工况

3.5.2 模拟计算结果的处理与分析

3.5.3 泄漏量对排风管道阻力的影响

3.5.4 本节小结

3.6 不同泄漏点个数对电缆层SF_6扩散的影响

3.6.1 不同泄漏口个数的影响

3.6.2 本节小结

3.7 不同流场下SF_6扩散的浓度场分布规律

3.7.1 不同流场下排风口位置和个数对SF_6扩散的影响

3.7.2 不同流场换气次数对SF_6扩散的影响

3.7.3 不同流场不同泄漏量对SF_6扩散的影响

3.7.4 本节小结

4 事故泄漏的SF_6 扩散过程数值模拟

4.1 排风量为2 次/H

4.2 排风量为4 次/H

4.3 排风量为6 次/H

4.4 本章小结

5 相似模型试验结果和数值模拟结果的比较

5.1 实验装置介绍

5.1.1 围护结构的制作

5.1.2 内部设备的制作

5.2 实验仪器

5.3 模型的密封

5.4 模型试验的测点布置

5.4.1 测点布置原则

5.4.2 测点布置位置

5.5 试验台气密性试验

5.5.1 试验研究的目的

5.5.2 测试结果的整理与分析

5.6 临界雷诺数试验

5.6.1 试验研究的目的

5.6.2 测试结果的整理与分析

5.7 相似试验与数值模拟结果的比较

5.7.1 相似模型试验

5.7.2 数值模拟结果与分析

5.7.3 数值模拟和相似模型试验测试结果的比较

6 几种不同重气体在地下大空间内扩散规律比较

6.1 SF_6气体在地下大空间的扩散

6.2 氯气在地下大空间的扩散

6.3 液化石油气在地下大空间的扩散

6.4 三种气体扩散特性的比较

6.4.1 不同高度3 种气体的平均浓度场的比较结果

6.4.2 同高度3 种气体的最大浓度场的比较结果

6.4.3 三种气体比较结论

7 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 若干建议

致谢

参考文献

附录