西龙池水电站地下主厂房通风模型试验与数值模拟研究

摘要

即将开工兴建的西龙池抽水蓄能水电站深埋地下，其机电设备布置较为紧凑，工艺布置形式也不同于以往的抽水蓄能电站。因此，该水电站的气流组织研究自然有其特殊性，也具有颇大的工程应用价值。本论文结合西龙池水电站地下主厂房热态模型试验项目的研究任务，对该电站顶送风地下主厂房进行通风模型试验和数值计算，着重对地下主厂房的气流组织优化及空间温度和速度分布性状进行研究。 正确设计模型是西龙池抽水蓄能电站气流组织模型试验研究的前提。根据相似理论建立试验模型。采用热量阿基米德数Arq作为相似准则，按照1/15的几何比例尺以及其他制约条件确定各种相似比例尺。根据各种相似比例尺完成模型本体结构、模拟热源系统及模型送排风系统的设计和配置。 根据西龙池水电站建设方的模型试验要求，为验证原通风设计方案的运行效果和可靠性，对该电站地下主厂房的现有设计方案进行了通风模型试验，对厂房内各层工作区的流场和温度分布进行了测试。为了优化发电机层送风口的尺寸规格，对两种不同送风速度下发电机层内的流场和温度分布进行了研究。通过模型试验得出了结论，在现有设计方案下，主厂房各层的工作区温度均能符合要求，除水轮机层外，其余各层的工作区风速也能基本符合要求。同时根据模型试验研究的结论提出了主厂房气流组织设计的优化方案，以便于进一步用数值模拟方法完善和优化通风设计。 结合模型试验条件，运用专用CFD软件进行数值计算，将其结果与模型试验相比较，验证数值计算的正确性。在此基础上，本论文利用CFD技术对西龙池地下水电站发电机层、水轮机层的气流组织进行了数值计算。针对发电机层这种大空间建筑，分析了在这种顶送风模式下，不同的送风速度对工作区的温度场和速度场的影响。结合工程实际，建议采用8～10m/s的送风速度。通过对水轮机层气流组织的数值计算，研究了不同的风口布置方式、送风速度和送风角度对水轮机层内的速度场和温度场的影响，并提出了适合于工程实际的气流组织方案，为设计及运行实践提供了依据。 本论文成果不仅可直接用于特定项目建设，对同类电站及同类建筑的通风方案的拟定有重要的参考价值。

目录

文摘

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引 言

1 水电站地下厂房通风空调技术的应用与发展

1.1 国内外水电厂房建设的基本情况

1.1.1 水电建设的背景

1.1.2 国外水电建设概况

1.1.3 国内水电建设概况

1.2 水电站地下厂房建筑环境特征分析

1.2.1 地下厂房的热工特性

1.2.2 地下厂房环境控制要求

1.3 水电站地下厂房通风空调技术发展动向

1.4 水电站地下厂房气流组织的研究

1.4.1 地下高大空间气流组织研究的特殊性

1.4.2 水电站地下厂房气流组织形式

1.4.3 水电站地下厂房气流组织的研究方法

2 本论文的研究背景、任务及要求

2.1 西龙池水电站工程简介

2.2 西龙池电站地下厂房通风模型试验的目的、任务与要求

2.2.1 主厂房发电机层气流组织状态的模型试验

2.2.2 主厂房母线层气流组织状态的模型试验

2.2.3 主厂房水轮机层气流组织状态的模型试验

2.2.4 主厂房蜗壳层气流组织状态的模型试验

2.3 本论文研究的任务与重点

3 电站厂房通风模型试验的相关理论

3.1 相似理论及其应用

3.1.1 模型试验的相似性原理

3.1.2 模型试验的相似性准则

3.1.3 Arq相似准则的自动模拟区

3.1.4 各种相似比例尺的确定

3.2 电站厂房气流组织的评价指标

3.2.1 技术指标

3.2.2 经济指标

3.3 地下厂房空间通风量的确定

3.3.1 地下厂房围护结构的传热计算

3.3.2 地下厂房围护结构的传湿计算

3.3.3 地下厂房通风量的计算

4 电站厂房通风模型试验装置的建立

4.1 模型试验装置设计与制作

4.1.1 相似比例尺的确定

4.1.2 模型本体的制作

4.1.3 模型内部热源模拟与制作

4.1.4 模型热工处理

4.2 测试仪器与测点布置

4.2.1 主要试验仪器

4.2.2 测点布置

4.3 试验调控与测试方法

4.4 试验数据处理方法

4.4.1 模型试验数据处理的基本方法

4.4.2 模型结果还原为原型的数据处理方法

5 厂房通风气流的数值模拟方法

5.1 湍流数学模型的建立

5.1.1 湍流现象概述

5.1.2 湍流模拟的思想观点

5.1.3 湍流基本模型

5.1.4 k-ε两方程模型

5.2 计算区域的离散化

5.3 控制方程的离散

5.3.1 控制容积积分法

5.3.2 差分格式

5.3.3 用控制容积法对离散方程的推导

5.3.4 代数方程组的求解

6 电站厂房通风模型试验与研究

6.1 本章研究内容

6.2 全厂热环境模型试验与分析

6.2.1 模型试验工况参数的确定

6.2.2 全厂热环境模型试验测试数据的整理

6.2.3 全厂热环境模型试验结果的分析

6.3 发电机层气流组织模型试验与分析

6.3.1 模型试验工况参数的确定

6.3.2 模型试验测试数据的整理

6.3.3 发电机层模型试验结果的分析

6.4 本章小结

7 发电机层气流组织优化的数值计算

7.1 本章研究内容

7.2 数值计算的数学模型

7.2.1 计算对象的描述

7.2.2 数值计算中的简化

7.2.3 边界条件的确立

7.2.4 网格的划分

7.3 数值计算与模型试验的对比

7.3.1 数值计算结果

7.3.2 温度场的对比与分析

7.3.3 速度场的对比与分析

7.4 改变送风速度的数值计算

7.4.1 模拟工况与相关参数的设置

7.4.2 不同送风速度方案下的数值计算结果

7.4.3 不同送风速度方案下的数值计算结果的对比分析

7.5 本章小结

8 水轮机层数值模型建立及计算结果分析

8.1 本章研究内容

8.2 水轮机层气流组织的数值模拟

8.2.1 计算数学模型的确定

8.2.2 边界条件的确定

8.2.3 网格的确定

8.3 数值计算与模型试验测试结果的对比分析

8.3.1 数值计算结果与模型试验结果的对比

8.3.2 工作区流场分析

8.4 本章小结

9 关于水轮机层气流组织优化的进一步研究

9.1 本章研究内容

9.2 影响气流组织通风效果的因素

9.2.1 送风口位置对通风效果的影响

9.2.2 送风角度对通风效果的影响

9.2.3送风速度对通风效果的影响

9.3 半负荷状态时水轮机层气流组织研究

9.3.1问题的提出

9.3.2 组织风机优化室内气流流场的原理

9.3.3 计算工况选取

9.3.4 数值计算结果及分析

9.4本章小结

10 总结与建议

10.1 研究工作的总结

10.2 后续研究的展望

致 谢

参考文献

附 录作者在攻读硕士学位期间发表的论文