謝良珊，劉 剛，楊其才，馮 震

（東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620）

隨著核能在中國能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位的不斷提升，我國核電廠的數(shù)量和容量必將大幅度提高.核電站常規(guī)島主廠房的通風換氣方式最初是參照火電廠汽機房的經驗進行設計的，由于汽機房一般為大空間建筑，且廠房內散發(fā)的熱濕負荷較大，為滿足人員的熱舒適性要求，宜選擇機械通風方式.核電站常規(guī)島主廠房與火電廠汽機房在結構類型和設備特性等方面的差異較大.如何合理地引進自然風，獲得既節(jié)約能源又安全運行的通風方案是常規(guī)島主廠房通風設計的重要改進方向.

影響自然通風的因素很多，如室外風速、風向、通風溫度、太陽輻射、室內熱源大小和分布以及建筑物的結構特點等.關于自然通風機理的研究已經比較成熟，文獻[1-2]提出了“Emptying Filling Box”通風模型，對自然通風的流動特性進行了研究；文獻[3]運用數(shù)值模擬方法研究了自然通風作用下建筑物對氣流的影響.到目前為止，研究室內氣流分布規(guī)律的常用方法有現(xiàn)場實測、風洞模擬及數(shù)值模擬3種方法，由于數(shù)值模擬比其他2種方法具有更多的優(yōu)越性，近年來成為研究室內氣流流動規(guī)律的主要方法之一.文獻[4-5]對熱壓和風壓共同作用下的自然通風效果進行了大量試驗研究和理論分析；文獻[6]分別運用大渦模擬和κ－ε湍流模型模擬了室內的流場分布，并對2種方法得到的通風效果進行了比較；文獻[7-8]采用雷諾平均法（RANS）論證了水電站地下廠房采用自然通風模式的可行性，分析了影響室內空氣品質的主要因素；文獻[9]采用Airpak軟件對某火電廠汽機房的通風氣流流場進行了數(shù)值模擬，解決了機房氣流組織不均勻的問題.由于數(shù)值模擬法獲得的數(shù)值解總存在一定誤差，為了確保模擬結果的可靠性，有必要對試驗測量和數(shù)值模擬的結果進行比較分析.文獻[8，10-11]介紹了建模的方法，分別建立了1∶18～1∶25的縮小比例模型，并成功地驗證了數(shù)值法在模擬大空間廠房氣流組織的可靠性.

本文以某核電站常規(guī)島的主廠房為研究對象，針對半地下式、多層大空間的結構特點建立物理模型，采用Realizableκ－ε湍流模型，對不同條件下的通風換氣方案進行數(shù)值模擬.鑒于該工程尚未完工，為了驗證數(shù)值模擬的準確性，搭建了1∶20試驗臺對速度場和溫度場進行測試.為了提高計算效率和精度，仿真計算使用了東華大學研究生動態(tài)測試與并行計算試驗基地提供的集群式并行機.

圖1 常規(guī)島主廠房數(shù)值模擬模型及風口位置Fig.1 The simulated model in main power house for conventional island and the vents’location

1 概 況

常規(guī)島主廠房采用鋼筋混凝土結構，其數(shù)值模擬模型及風口位置如圖1所示.建筑由3部分組成：地下層、夾層（0m層）、運轉層.工程擬建設2臺容量為106kW級的壓水堆核電機組，主廠房通風采用側面進風、頂部排風的氣流組織形式，地下層進風由高于地面的3處地溝進風窗引入，其他各層進風分別從兩側的進風百葉流入，空氣與室內熱源進行換熱、換濕后，由主廠房運轉層和除氧器間的屋頂排至室外.

參考相關設計資料，核電站常規(guī)島主廠房的設計進風溫度為當?shù)叵募就L室外計算干球溫度.為滿足人員舒適性及生產工藝性的要求，工作地帶的允許溫升不超過3～5K；汽機房和除氧器間的排風溫度不允許超過進風溫度8～10K.參考了多個廠家相同類型發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)并修正，得到該主廠房的總散熱負荷為5.42MW，其中汽機房4.80 MW，除氧器間占0.62MW.主廠房具體參數(shù)如表1所示.

表1 主廠房具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of the main power house

2 數(shù)值模擬

2.1 計算方法的確定

數(shù)值模擬計算擬選擇雷諾平均法（RANS）中的湍流模型，標準κ－ε湍流模型由文獻[12]提出，通過引入湍動能κ和湍動能耗散率ε，將湍流的脈動值與時均值等變量聯(lián)系起來，解決了Navier-Stokes時均方程組不能封閉的問題.而文獻[13]研究認為，標準κ－ε湍流模型對時均應變率特別大的情形，有可能導致負的正應力出現(xiàn)，為了避免這類違背湍流定律的現(xiàn)象出現(xiàn)，將湍動黏度表達式中的經驗系數(shù)Cμ與應變率聯(lián)系起來，提出了可實現(xiàn)對正應力進行約束的Realizableκ－ε模型.結合各種湍流模型的特點及應用情況，利用 Fluent 6.3軟件選擇了 Realizableκ－ε模型處理雷諾應力項，選擇基于壓力的分離隱式求解器，并采用SIMPLEC算法實現(xiàn)壓力和速度的耦合，考慮到對于室內散熱產生的熱浮升力的重要作用，選擇了專門適用于體積力流動的加權體積力（Body Force Weighted）插值格式，其他方程均使用二階迎風格式.由于研究的室內氣流組織屬于黏性、不可壓縮的低速湍流流動，滿足Boussinesq假設，因此本文選取的輸運方程[14]如下：

2.2 物理模型和邊界條件

選擇非結構化處理能力較強的GAMBIT前處理器建立物理模型，不考慮配電室，水處理采樣室及油室等附屬空間，簡化后建筑物的幾何尺寸為x×y×z＝71.6m×41.5m×108m.為保證網格密度和網格質量，采用了分區(qū)結構化網格與整體非結構化網格對物理模型及其子模塊進行網格劃分，經過多次調整得到主廠房總網格數(shù)約為250萬.

本文主要研究主廠房內部氣流的通風換氣模式，重點探討自然通風作用下室外風壓對熱壓的增抑作用，以及自然進風與機械排風相結合的通風效果.邊界條件的取法可參考文獻[15-17]，具體設置如下：

入口邊界條件 設定速度進口或壓力進口條件；

出口邊界條件 選擇壓力出口條件；

固壁面條件 按照壁面性質不同分別給定無滑移的壁面邊界條件、對流熱邊界條件和輻射邊界條件.

3 試驗驗證

根據(jù)設計方提供的圖紙，按1∶20的比例尺進行建模，試驗臺以木結構代替原型的鋼混圍護結構，各層進風窗活動設置，內部散熱設備用鐵皮進行包皮處理，散熱源用電熱帶代替，各層散熱量可由模擬熱源的熱量控制系統(tǒng)進行調節(jié)，汽機房與除氧器間機械排風系統(tǒng)采用同程式布管，如圖2所示.研究主廠房內的氣流分布狀況，需要測量排風管總風量和通風口的風量、風速、壓力及溫度.本試驗臺在每個樓層工作面及出入口設置了22個典型的取樣點，取樣點的具體位置如圖3所示.為了能連續(xù)地監(jiān)測主廠房內氣流的溫度場，安裝了如圖4所示的溫度自動采集系統(tǒng)，取樣數(shù)據(jù)的采集和存儲可由該系統(tǒng)自動完成.

4 數(shù)值模擬與試驗測量結果比較

由于條件限制，試驗只測量通風模式為自然進風與機械排風相結合時的氣流分布情況.通過調節(jié)排風機的頻率及風閥開度，實現(xiàn)汽機房和除氧器間的排風量與散熱量對應成比例.試驗表明當模擬熱源和風機啟動運行至160min時，系統(tǒng)的熱不平衡率小于5%，此時可認為試驗測量的條件與數(shù)值模擬的環(huán)境基本一致.數(shù)值模擬與試驗測量采集22個典型取樣點的溫度結果及誤差如圖5所示.

圖5 數(shù)值模擬與試驗測量的溫度值比較Fig.5 Comparison of the computed temperature with the measured data

由圖5可知，數(shù)值模擬的結果與試驗測量的數(shù)據(jù)吻合較好，其中，最小溫度偏差在17取樣點，誤差為0.05K，最大溫度偏差在20取樣點，誤差為0.93K，所有取樣點的相對誤差均小于5%.由此說明本文確立的數(shù)值模型與設置的邊界條件是合理的，運用數(shù)值法模擬常規(guī)島主廠房室內熱環(huán)境的氣流組織是可行的.

5 通風換氣方案

5.1 數(shù)值模擬工況介紹

核電站所在地區(qū)的夏季氣象參數(shù)如表2所示.在該氣象條件下設置計算模型的邊界條件和相關參數(shù)，分別對下列4種工況進行模擬計算：工況1為風壓單獨作用；工況2為熱壓單獨作用；工況3為風壓與熱壓聯(lián)合作用；工況4為自然進風與機械排風共同作用.

表2 當?shù)叵募練庀髤?shù)Table 2 Local meteorological parameters in summer

5.2 結果與分析

輸出的計算結果包括主廠房內部空間的溫度場、速度場及壓力等氣流分布狀況.限于篇幅，僅列出各層的通風換氣量，如表3所示，表4為各層面平均溫度及排風溫度，圖6為工況2～4水平面溫度的比較，主廠房的溫度場分布如圖7所示.

表3 各層的通風換氣量Table 3 Ventilating rate in every layer kg／s

圖6 工況2～4水平面溫度的比較Fig.6 Comparison of temperatures in horizontal plane in condition 2～4

表4 各層面平均溫度及排風溫度Table 4 Area-averaged air temperatures in working zones and the exhaust temperature K

圖7 主廠房的溫度場分布Fig.7 Distribution of temperature in main power house

由表3可知，工況1地下層和除氧器間的通風量為負值，其他工況下除氧器間的通風量也均為負值，說明該處的進風窗處于排風狀態(tài)；比較工況2和3，熱壓單獨作用時的總排風量比熱壓與風壓聯(lián)合作用時的排風風量大，說明風壓抑制了熱壓作用下的通風換氣；進一步比較工況1～3可知，各樓層工況1與2的通風量之和也不等于工況3對應樓層的通風量，通風量的分布特點說明，在地下層風壓對氣流流動的阻礙效應明顯，而在運轉層風壓與熱壓共同推動氣流流動.

由表4可知，工況2地下層和夾層工作面的溫度能滿足設計要求，而運轉層及以上均不滿足要求，其中排風溫度達317.3K；工況3除了除氧器間的溫度大于設計值311K外，其他各層的溫度滿足設計要求，排風溫度為314.0K達到設計標準.此外，由圖6可知，主廠房自下而上溫度呈上升趨勢，廠房內部各層空間溫度上升趨勢更明顯，當高度達到17.5 m左右后，溫度不再出現(xiàn)下降現(xiàn)象，溫度梯度也趨于緩和.

分析模擬計算的結果可知，在采用自然進風與機械排風相結合的通風模式下，隨著屋頂排風機出口壓力值不斷增大，地下層的通風換氣量增加較慢，夾層與運轉層的通風量增加較快，除氧器間的通風量反而減??；當出口壓力值達到45Pa時，夾層與運轉層的總通風量增幅達70%.由圖7可知，各層工作面溫度在307.7～309.7K之間，各層工作面的溫度分布均勻，無過熱區(qū)域出現(xiàn)，完全滿足主廠房內的熱舒適性要求.

6 結 語

運用雷諾平均法（RANS）探討了某核電站常規(guī)島主廠房的通風換氣方案，利用CFD軟件模擬了4種不同條件下的氣流分布狀況，并將計算結果與試驗測試的數(shù)據(jù)進行了比較.結果表明，兩種方法獲得的取樣點溫度基本保持一致，通過分析得到如下結論：

（1）模擬結果和測量數(shù)據(jù)的一致性，驗證了該核電站常規(guī)島主廠房氣流組織的數(shù)值模擬結果是準確的；

（2）在典型氣象條件下模擬計算的結果滿足設計要求，說明在核電站常規(guī)島主廠房中采用自然進風與機械排風相結合的通風換氣方案是可行的；

（3）室外風壓對熱壓增強或抑制自然通風的規(guī)律，對核電廠主廠房乃至其他廠房通風模式的優(yōu)化設計與節(jié)能運行具有指導作用.

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