地下电站高大厂房气流组织数值模拟

水电站厂房是一类特殊的高大空间厂房，其空调设计有自身的特点：位于地下，受室外空气影响小；顶棚高度高，作业者在底部，人员密度小，人均容积大；地面部分散热容量大^[1]。因此，合理节能的气流组织设计是水电站空调设计的关键。目前，已有人对大空间空调作相关研究。在大空间建筑室内温度垂直分布，高大空间分层气流组织，用隔断气流实现分区等方面已有研究^[2][3][4]。但是，针对水电站这种特殊高大建筑，具体到某一水电站，并没有统一的气流组织计算公式。本文对一拟建水电站主厂房的送风方式进行了数值模拟，由于工程尚未建设，故本模拟仅作为预研问题进行数值分析为设计提供参考。

2. 研究对象

本工程的概况：电站总装机容量为150MW，引水式电站，厂房布置为地下式厂房。本次数值计算的对象为发电机层。采用中送上回气流组织方式，进行数值计算的空间为发电机厂房地板至吊顶之间的高大空间。设计中为拱形顶，考虑到此厂房为高大空间，吊顶的弯曲度不大，为便于采用直角坐标建立模型，按体积等量转换的原则，将拱形顶简化成平面顶。简化后的模型尺寸为53m*15.5m*15.4m.。送风口为喷口送风，简化为0.35m*0.35m的矩形喷口。回风口位于吊顶内，尺寸为1.8m*1.8m。发电机层的散热量主要考虑照明及发电机散热。由于无详细照明设计资料，按房间面积估计为15～40w/㎡,发电机散热量50kw/台；水电站主厂房的人体散热量比例很小，可忽略不计。用三个矩形q=1280/㎡(将照明记入面热源中)。如下图1

　
　　　图1 原物理模型 　　　　　　　　　　　图2按对称简化后模型

3. 数值模拟理论

3.1 数学模型

目前，工程中多用标准的模型，该模型对等温流动模拟较好，但对非等温、混合对流的情形却有很大误差^[5]。Nielsen于1998年指出，对热羽流，贴壁射流，温度分层流动等需要不同的湍流模型进行模拟才能获得满意精度的结果^[6]。在实际工程中往往多种流动形式并存。故本文采用了标准模型的变形—RNG k-湍流模型。它起先由Yokhot和Orszag^[7]应用重整化群方法（renormalization group theory）导出，是一种新型的k-模型。该模型承接了k-模型的主要框架，与标准的k-模型方程相似，但在的传输方程中增加了一个R项，考虑到了湍流漩涡，有效的改善了精度。与标准k-模型相比，RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，而不是用户提供的常数；标准k-模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些特点使得RNG k-模型比标准k-模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。

RNG的k-湍流模型为：

， (1)

， (2)

其中，

为层流粘性系数，为湍流粘性系数，G_k表示由平均速度梯度产生的湍流动能，G_b表示由浮升力产生的湍流动能，R为附加生成项。

在(1)及(2)中G_k定义为

， (3)

可由下式求出：

G_k=，S=，= (4)

在(1)及(2)中，G_b=，，，其中，由下式给出，

， (5)

其中，。，

和分别表示k和的普朗特数的倒数，仍由(5)式计算，此时取。R项决定了RNG模型与标准k-模型的主要不同之处。

3.2 网格划分

由于本研究对象空间高大，53m（长）*15.5m（宽）*15.4m（高），按整个空间划分网格，网格数达百万，数量巨大，为现有计算机资源所不能接受。为此，根据空间射流对称的特点，对计算区域进行简化处理，将整个计算区域简化，如图2，尺寸为12m（长）*15.5m（宽）*15.4m（高），划分网格后，网格数下降运算速度提高。在选择网格的时候，考虑初始化的时间、计算花费以及数值耗散问题，为减少运算时间，模型采用采用非结构化网格。由于送风口尺寸0.35*0.35较小，采用网格间距0.07m，面网格数为5*5。对靠近送风口的两侧由于动量变化较大，采用密网格，其余区域采用较疏的网格。送风口网格划分见图3。计算表明，网格的划分不仅影响到计算速度，还会影响结果的收敛性。

　
　　（a）网格划分透视图 　　　　　　　　　　　　　　（b）表面网格划分图
图3 网格划分图

3.3 数值方法及边界条件处理

采用有限体积法中SIMPLE算法来实施流动的数值计算，对湍流模型，对流项及扩散项的差分格式均采用二阶迎风格式，离散方程用分离数值算法迭代求解，壁面采用标准的壁面函数进行处理。由于简化计算区域，左右两端边界为对称边界条件；进风口为速度入口，速度为4米～7米，出口为压力出口；考虑该电站位于地下，墙体进行绝热处理，故其余边界视为绝热边界。

4．模拟结果及分析

利用前面介绍的数学、物理模型，作者对中送上回风的地下电站厂房的室内气流组织进行了数值模拟。结果如图4显示。由图4（a）~(b)可见，风从侧墙喷口送出，由于发电机强热源热源散热，一部分气流向下流动，一部分受浮升力影响朝上运动，底部回流区上方有两个涡流，回流区气流速度在0.2米/秒左右，符合工作区流速要求。在上部，出风口两侧各有一个较大的涡流区，涡中心的速度值最小，随着涡半径向外，速度逐渐增大边缘速度值最大为。上部出现旋涡的原因是，一个回风口布置在顶部，热空气上升，在出口处产生回流，形成旋涡。上图为送风速度为6米/秒时的模拟结果。此外，作者还模拟不同工况发现，当送风速度改变时，旋涡的位置及大小也随着相应发生改变。当送风速度降低为4米/秒时，由于出口动量减小，气流衰减较快，下部两个旋涡位置升高，旋涡直径变大，而上部两个旋涡直径变小。且当送风速度降低时，上部空间温度有所升高。从图4（a）中还可看出，两侧旋涡稍有不对称，这可能与网格划分、及模拟经验有关系。从温度场纵截面图4（c）可看出，工作区主要集中在送风口以下即z=5米以下区域，由于热源的影响，温度出现分层，热源附近温度较高。而由于回风口在上部，导致上部区域的平均温度在26℃左右，上区的空气温度差大约在3℃～5℃左右， 说明热源对室内空气温度影响显著。

　
　　　　　　(a) x=4.8米速度矢量图 　　　　　　　　(c) x=4.8米温度等值线图

　
　　　　　　　　　(b) x=4.8米速度等值线图　　　　　　　(d) x=4.8米湍流动能等值线图
图4 x=4.8m处的纵剖面计算结果

图4(d)给出了x=4.8纵剖面的紊流动能等值线图，由图可以看出，湍流动能主要集中在高大厂房的中下部分。说明在非等温有内热源情况下，能量主要影响下部工作区，能量有效利用系数高，从而达到节能的目的。

5．结语

本文采用数值计算方法对某一地下电站空调气流组织作了数值研究，获得了速度场、温度场等比较直观的图形以及数据。结果表明，RNG 湍流模型及SIMPLE算法在电站空调这类高大空间的数值模拟中的合理性，为大空间复杂气流组织的研究提供研究参考。由于工程尚待建设，无实测数据对比验证，本文仅作数值预测分析，验证有待以后进行。

上一页：冷凝式锅炉与热泵联合系统
下一页：防火阀在设计工程中的合理使用