基于CFD的水電站地下廠房熱濕環境模擬研究

莫 凡，李超順，何葵東，金 艷，丁嘉奇

(1.國電投水電產業創新中心，湖南 長沙 410004；2.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074；3.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004；4.華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著全社會用電量的逐年增加使得電網穩定性以及電力需求面臨巨大的挑戰，由于水電站具有調峰調頻的優點，其開發建設迎來良好的發展機遇[1]。隨著大型地下工程建設技術的成熟，越來越多水電站傾向采用地下廠房方案，但由于深埋地下，容易面臨通風條件不暢以及溫濕度過高等問題進而給工作人員帶來很差的工作條件，因此地下廠房的通風問題成為學者所關注的對象[2-7]。

目前對地下廠房通風問題的常見研究方法有相似模型、區域模型以及CFD數值模擬[8-10]。由于CFD數值模擬具有還原真實模型來模擬工況且其他研究方法無法模擬的優點而被學者廣泛研究。如：任彤利用CFD方法對地下廠房內部廊道的圍護結構的熱濕分布情況及規律進行分析[11]；龔勝強通過在相同工況條件下進行相似模型試驗與CFD數值模擬結果的對比從而驗證CFD模擬的準確性進而分析了大型地下水電站不同送風溫度和局部空調啟停工況下廠房溫度場與速度場的分布規律[12]；Shao等采用CFD方法對不同通風方案下隧道群內的流體進行了數值模擬進而制定隧道群內的通風方案[13]；Li等采用CFD技術和PIV測量技術，對不同噴嘴射流速度和設計熱源下地下水電站發電機層的流場進行分析，進而為大空間地下建筑通風空調系統的設計和優化提供參考[14]；Liu等利用CFD技術將改進的RNG k-epsilon模型應用于溪洛渡電廠通風系統的模擬研究，進而驗證CFD在大空間深地下通風系統預測評價中的準確性和可靠性[15]。

雖然國內外學者對地下廠房的熱濕環境進行了大量研究，但是通常是用CFD模擬并分析廠房內部機械通風方式的熱濕環境并對機械通風方式進行優化布局，缺乏對自然通風方式的分析以及整體環境氣流組織的評價。

因此，本文以某水電站地下廠房為研究對象，建立水輪機層三維模型，利用CFD模擬水輪機層內部區域在自然通風方式、除濕機一側布局方式、除濕機交叉布局方式3種不同條件下的熱濕環境，并對這3種通風方式的氣流組織分別進行評價分析，進而為該電站的防潮除濕工作提供依據。

1 基礎理論

在使用CFD進行流體流動的計算與分析時，要受到連續性方程、動量方程以及能量守恒方程的控制。

連續性方程指在一定時間內流入微元體質量與流出流體質量不相等時，微元體內一定存在流體密度的變化。流經微元體的流體質量的變化應與由于流體密度的變化而產生的流體質量變化相等，其微分形式為

(1)

式中，t為單位時間；V為控制體體積；ρ為流體密度；S為控制面面積；n為微元面積矢量dS外法線的單位向量；U為微元表面dS上的流體速度。

動量方程指控制體中動量隨時間的變化率與其受到的外力之和相等。在考慮粘性項時，方程微分表達形式為

(2)

式中，i、j可取值為1、2、3，用來表示3個空間坐標；P為壓力；μ為流體的動力粘性系數；g為重力加速度。

當系統中出現熱交換時，則必須遵守能量守恒方程。微元體在面積力和體積力的影響下所做的功加上進入單元體的凈熱量即為能量的增加率。

(3)

式中，T為溫度；k為流體的傳熱系數；ST為粘性耗散項；Cp為氣體的比熱。

2 水電站地下廠房濕熱環境模擬

2.1 模型選擇與設置

目前湍流求解的方法有DNS模型、LES模型、雷諾平均NS模型、DES模型，其中雷諾平均NS模型使用最為廣泛，如k-ε模型，k-w模型。出于對計算機性能以及結果精度的考慮，本文在計算時選擇基于標準模型改進的RNGk-ε模型，通過重整化群理論的統計方法推導進而使計算結果更精準可靠。其方程模型與標準k-ε模型較為相似，即

(4)

(5)

二者之間的主要區別在于Rε,在RNGk-ε模型中

(6)

將式(6)代入到式(5)中，可以得到

(7)

(8)

式中，k為湍流動能；αk=1.39；μeff為等效粘性系數；Gk為由于平均速度梯度產生的湍流動能；Gb為由于浮力產生的湍流動能；ε為湍動能耗散率；Ym為可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的作用；Sk和Sε為用戶定義的源項；C1ε、C2ε和C3ε均為常數；Cμ=0.048 5；此外，

(9)

流模型解決的是多種流體混合輸運問題，若多種介質分子處于分子混合水平上，則無法應用多相流模型，此時應考慮運用組分輸運模型進行求解。對于不涉及化學反應的組分輸運過程，就像本文中需要求解的濕度問題，可以采用無反應的組分輸運模型，求解并計算組分在對流擴散過程中各組分的時空分布。

圖1 水輪機層簡化模型

2.2 實體建模與網格劃分

水輪機是整個電站運行的重要設備，因此本文選擇以水輪機層為研究對象。由于本文重點在于闡述3種不同通風條件對水輪機熱濕環境及其氣流組織的影響，與機組設備關系不大，故建模時將水輪機組設備進行簡化，具體見圖1。

本文將模型導入到Design Modeler中抽取流體域，用ICEM CFD對模型進行網格劃分，目的是提高仿真結果的精確性。由于本文以1∶1比例尺進行模型建立，整體尺寸較大，故采取非結構化網格以便提高計算速度，對部分part進行加密處理以便提高網格精確度。

2.3 邊界條件設置

由于本文對水輪機層在自然通風和機械通風條件下的熱濕環境均進行數值分析，故在進行仿真計算時有3種不同的邊界條件，機械通風采用布置除濕機的方式，且每臺機組對應1臺除濕機，為更好分析除濕機的除濕效果，本文對比了兩種除濕機的布局方式分別為一側布置和交叉布置，如圖2所示。其中，在圖2b的入口邊界為除濕機的送風口。

3 氣流組織特性評價

對通風系統氣流分布的評價標準主要體現在其安全性。經濟性以及舒適度方面，其中最常用的3個評價指標為不均勻系數、空氣擴散性能指數、能量利用系數。

3.1 不均勻系數

溫度不均勻系數是用來衡量某一區域內氣流組織的分布的均勻程度，具體求解思路是在該區域中選取一定測點、測量其溫度，然后分別求解這些測點溫度的算術平均值以及均方根偏差，計算公式為

(10)

(11)

(12)

式中，Kt為溫度不均勻系數。當溫度不均勻系數越小時，說明該區域內部的氣流組織分布越均勻。

3.2 空氣擴散性能指數

空氣擴散性能指數簡稱ADPI指數，該指數可以衡量在某一區域內部人體的舒適度。通過測量局部有效通風溫度(EDT)進而確定該區域內部可以接受的溫度的比例，EDT是結合區域內部溫度與通風速度計算出的溫差，研究表明，EDT在-1.7～+1 ℃之間，舒適度較好。EDT計算公式為

EDT=(Ti-Tm)-7.66*(Vi-0.15)

(13)

式中，Ti為區域內部某時刻的溫度；Tm為區域內部的空氣溫度；Vi為區域內部某時刻的空氣流速。

通過EDT值可求ADPI為

(14)

3.3 效率系數

能量效率系數又稱溫度效率，是衡量氣流分布經濟性的指標，也可以反應通風系統的能耗情況，因此該系數越高表明通風系統的節能效果越好。其計算公式為

(15)

式中，Tout為排風口溫度；Tin為送風口溫度；Tave為區域內部平均溫度。

4 多場景模擬結果對比分析

某水電站地處南方城市，一年中潮濕天氣數目較多。該電站采用典型的壩后式廠房，其特殊的地理位置導致廠房內部潮濕問題嚴重，其空氣環境質量較地面建筑惡劣。為研究水電站地下廠房內部的通風情況并提出防治建議，本文模擬并對比分析自然通風和機械通風條件下水輪機層的熱濕環境狀況。選擇在水輪機層布置21個測點進行數據采集，并將采集到的數據作為初始邊界值，測點布置見圖3，邊界條件及參數設置見表1、2。

圖2 3種不同通風方式邊界布置

圖3 測點布置示意

表1 自然通風邊界條件及參數設置

表2 除濕機工況邊界條件及參數設置

本文選取該電站水輪機層1.7 m高度處的截面位置進行分析，因為此位置不僅為工作人員呼吸區域、設備運行的主要位置，而且為水輪機高度方向的中間位置，能夠很好地反映出水輪機層溫度、濕度以及速度場的變化規律。此外，在縱向空間上選取4個截面，分別位于水輪機層5個機組之間的中間位置處，以便更好地觀察機組縱向區域的通風情況，如圖4所示。

圖4 截面位置示意

4.1 熱濕環境對比分析

4.1.1 速度場

1.7 m處不同邊界條件下，速度場云圖如圖5所示。從圖5可以看出，在自然通風工況下，整體速度值變化范圍在0～0.99 m/s之間，整體氣流分布明顯不均，3～5號機組周圍區域空氣流動情況較好，其中4號、5號機組的中間區域空氣流動情況最好，2號機組右側區域空氣流動情況一般，1號機組周圍區域空氣流動情況很差。這是因為，根據現場數據(見表1)可知，三處送風口與3～5號機組距離很近，氣流經送風口在3處機組周圍充分流動，僅有小部分氣流流向1號機組和2號機組，故導致這兩處機組周圍氣流分布很差。在安裝除濕機后，不僅速度值變大并且氣流組織分布也更加均勻，明顯緩解自然通風所帶來的問題。從整體速度值來看，交叉送風方式速度值在0.570 m/s左右，而一側送風方式速度值在0.537 m/s左右，因此除濕機采用交叉送風布局更有優勢。

圖5 1.7 m處速度場云圖

圖6 1.7 m處溫度云圖

4.1.2 溫度場

1.7 m處不同邊界條件下，溫度云圖如圖6所示。在自然通風條件下根據實測數據可知，當3個送風口的速度值分別為0.57、0.97、0.38 m/s時，對應的溫度值分別是14.2、14.1、15.3 ℃。從圖6可知，自然通風條件下整體溫度范圍在13.69～15.46 ℃之間，且溫度梯度變化平緩，由于外界氣流與水輪機層內部氣流進行熱量交換，導致在5號機組附近區域的溫度值較小；而在除濕機工況下由其提供新風，初始設置溫度均為20.8 ℃，因此在兩種除濕機運行條件下溫度幾乎沒有明顯變化。

4.1.3 濕度場

1.7 m處不同邊界條件下，濕度云圖如圖7所示。從圖7可以看出，在自然通風工況下整體濕度值偏大，基本數值在82.8%左右，這是因為春季多雨導致外界氣流濕度高，在進行通風時，外界環境攜帶的水蒸氣會進入水輪機內部區域進而導致廠房內部濕度值大；而在安裝除濕機后，水輪機層濕度大幅度下降，數值維持在50%左右，就兩種除濕機布局對比，交叉送風條件濕度值在50.7%左右、一側送風條件濕度值在51.2%左右，因此除濕機采用交叉布局方式效果更優。

4.2 氣流組織評價

從圖4中可知，本文在水輪機層均勻布置21個測點，通過對這些測點進行溫濕度以及速度的測量后可對該區域的氣流組織進行研究分析，具體結果見表3。

表3 3種不同通風方式氣流組織評價指標

從表3可以看出，在安裝除濕機時溫度不均勻系數較小，說明整體氣流分布均勻，間接體現除濕機緩解水輪機層在自然同風條件下所帶來的弊端。在對ADPI指數進行分析時，通常認為當ADPI≥80%時，氣流組織分布比較理想；當ADPI=100%時，說明該區域空氣質量為優。在安裝除濕機后，兩種布局方式的ADPI系數均不小于80%，說明符合要求。就能量效率系數來看，在自然通風條件下數值最大，但在自然通風條件下整體濕度過大，嚴重影響設備運行并且降低人員舒適度，通過對比發現，除濕機交叉布局時的能量效率系數相對除濕機一側布局較大。綜合分析，除濕機交叉布局更加合理。

5 結 論

本文以某電站現場實測數據為基礎，模擬并分析了3種不同通風情況下水輪機層的熱濕環境變化并對其通效果進行評價，通過對比分析，得到如下結論：

圖7 1.7 m處濕度云圖

(1)在春季自然通風條件下，水輪機層通風分布不均勻，在靠近送風口處通風情況較好而遠離送風口區域通風質量較差；并且整體濕度值在80%以上，不僅會對設備造成不利影響而且會降低工作人員舒適度。

(2)通過對比除濕機一側布置和交叉布置兩種布局方式的氣流組織指標發現，雖然一側布置方式的ADPI系數大，工作人員舒適度體感好，但是交叉送風布置方式不僅使氣流組織分布均勻而且其能耗較低，綜合考慮交叉布局方式效果更優。