(山西省東山供水工程建設管理局，山西 太原 030000)

1 案例模型及重點參數簡介

交漳水電站地處山西省晉中市左權縣境內的清漳河干流上，控制流域面積3230km2，是山西省開發(fā)邊界水規(guī)劃的大型水利工程之一，屬于典型的長引水洞引水式電站工程，由于上部埋深大，引水洞施工只能采用風管壓入式通風。該引水洞的洞徑為13m，設在引水洞頂部的通風管直徑為2m。本研究依據550m處的爆破掘進面實測數據，典型化引水洞出口、橫通道和爆破掘進面，應用ICEM CFD系統(tǒng)的六面體網格化結構分析功能，建立模擬200m長度的單體引水洞分析模型。依據模擬分析設計，分別在距離爆破掘進面105m、85m、65m、45m和25m處，設置編號為P5、P4、P3、P2和P1的風速測量點。引水洞現場、ICEM CFD網格化分析計算模型以及測點時均風速剖面云圖見圖1，風速計分辨率及其測量范圍參數見表1。

圖1 案例引水洞現場及相關分析模型

表1 風速計分辨率及其測量范圍

表2 引水洞內平均風速實測值與模擬值對比

從表2數據看到，斷面風速各監(jiān)測點時均模擬值吻合于現場實測值，其中最小誤差值為2%，最大誤差值為8.5%，平均誤差值在5.14%?？梢娔M數值結果跟現場實測結果差異不大，表明所依據模型有較好的準確性，適合于本引水洞施工的通風模擬研究。

2 風流場壓力場及氣固熱計量

2.1 風流場計量

2.1.1 三維風流場

風管射出風流后，受到引水洞壁面約束而受限形成紊動射流。在切應力的作用下，射流帶動周邊空氣流動，形成若干不同的渦旋。掘進面阻擋射流而使其沿掘進面底部返折，這樣在掘進面附近大范圍內形成一個回流區(qū)。之后風流沿交通洞及引水洞運移，經交通洞口最終排出，完成一次引水洞循環(huán)通風。掘進面局部及引水洞整體風速矢量及細部發(fā)展結構見圖2和圖3。

圖2 掘進面局部及引水洞整體風速矢量圖 (單位：m/s)

圖3 引水洞局部的風速發(fā)展矢量圖 (單位：m/s)

由圖3局部③可以看到，風流在引水洞的橫通道，部分進入通道中形成橫通道空氣流通。局部②是交通洞與引水洞連接位置，風流分成兩股，繼續(xù)分別沿1號和2號支洞前行；在引水洞拐角處風流形成一個局部回流區(qū)，意味有害氣體和粉塵容易在此處發(fā)生聚積。局部①揭示，風流矢量多指向洞口，無明顯渦旋存在于交通支洞內，表明風流向引水洞出口平穩(wěn)發(fā)展。

2.1.2 掘進面附近風流場

施工多集中于掘進面附近，此區(qū)域排塵通風效率工程意義更大。本案例研究，距離掘進面30m處為風管出口，掘進面區(qū)域多湍流脈動，故須重點關注掘進面區(qū)域的動態(tài)風流發(fā)展過程。掘進面區(qū)域風場發(fā)展狀態(tài)見圖4。

圖4 掘進面區(qū)域風場發(fā)展狀態(tài)

圖4為2號引水洞掘進面附近T=1s、3s、7s時點，風流沿中心縱剖面的矢量圖。右端是風管進風口，左端是開挖掘進面?？梢钥吹剑x開風管的射流與周圍空氣混摻強烈，射流核心的下上邊緣都有若干小渦旋隨機形成。下方存在一個大尺度渦旋，射流逆時針旋轉，隨時間演進而向掘進面推進。T=7s時點，該射流抵達掘進面，之后生成一個位置相對穩(wěn)定的大尺度渦旋，進而生成掘進面區(qū)域回流區(qū)。核心射流上下邊緣由于存在小尺度渦旋，呈現不規(guī)則波浪態(tài)，體現湍隨機脈動特性。時均縱向風速典型高度分布曲線見圖5。

圖5 時均縱向風速典型高度分布曲線

圖5綠色曲線揭示，在風管軸線高度上和15m距離內，13.5m/s風流基本保持風速不變，而再向前運動15m后，則風速很快減小，抵達掘進面后則降為0值。引水洞軸線(藍色曲線)高度上，風速始終線性降低，且距離掘進面越近，則風速越低。呼吸道高度(紅色曲線，z=1.5m)上，風速基本多為負值，大小在0～-2m/s之間發(fā)展，平均值為-0.91m/s，可見通風效果良好。

2.2 壓力場計量

當r分別為1s、3s、5s、10s，即處于通風初始階段時，掘進面區(qū)域瞬時壓力場變化情況存在一定的規(guī)律性特點，見圖6。通過分析觀察可知，r為1s、3s、5s、10s時，瞬時壓力場最大值并未發(fā)生較大變化，即一直出現于射流前端，瞬時壓力最大值分別為47Pa、32Pa、26Pa、34Pa；而瞬時壓力場最小值同樣未發(fā)生變化，出現于射流核心上下邊緣處，瞬時壓力最小值分別為-12Pa、-24Pa、-21Pa、-7.7Pa。壓力場最大值、最小值的分布位置變化規(guī)律與風流場發(fā)展過程十分相似，即隨著時間增加，距掘進面距離越來越短。當r為10s時，掘進面開始與射流接觸，而最大風壓仍處于掘進面之上，其值為33.8Pa。

當r為600s時，雷諾時均模擬、大渦模擬所得到的風壓云圖存在較大差別，見圖7。RANS結果顯示，掘進面周圍的壓力分布變化較小，已經初步達到穩(wěn)定狀態(tài)，壓力值也基本趨于穩(wěn)定，變化十分微小，并且負壓已經完全消失，壓力最大值、最小值分別為18.9Pa、0。LES可以實現瞬態(tài)信息的實時捕捉，因而壓力場分布狀況存在較大的波動，并且負壓仍未消除，壓力最大值、最小值分別為52Pa、-12.7Pa。另外，LES可以實現瞬時信息捕捉功能，因此基于RANS得到的正風壓最大值要遠遠低于基于LES所得值，即18.9Pa<52.0Pa。

圖6 通風初始階段瞬時壓力場云圖 (單位：Pa)

圖7 T=600s時點LES與RANS所得風壓分布云圖對比 (單位：Pa)

2.3 氣固熱交換計量

當r分別為3s、5s、10s、20s，即處于通風初始階段時，引水洞內溫度場動態(tài)變化大渦模擬結果見圖8。

圖8 通風3s、5s、10s、20s時點溫度云圖 (單位：K)

對圖8進行仔細觀察與對比分析可知，風管中的低溫氣體流出之后，會與周圍空氣直接接觸，并進行劇烈摻混，產生熱交換現象，而高溫氣體也會立即進入引水洞內，并與引水洞內壁發(fā)生持續(xù)氣固熱交換。當通風時間分別為3s、5s時，掘進面仍未受到低溫射流的作用，其溫度在短時間內仍維持在303K左右，由于風管出口最先通過低溫射流，因此風管出口部位降溫最快。當通風時間達到10s之后，低溫風流與掘進面開始接觸，并發(fā)生氣固熱交換，掘進面溫度也開始下降，但是溫度降速十分緩慢，一般為0.5K左右。當通風時間達到20s后，氣固熱交換已經持續(xù)一段時間，掘進面周圍空氣得到冷卻，溫度為298K左右，而掘進面溫度也降低至302K，掘進面邊角位置的降溫速率、降溫幅度均遠遠低于中心區(qū)域。

與通風初始時點相比較而言，當通風時間達到60s時，引水洞、橫通道交叉口位置的溫度發(fā)生了較大的變化，見圖9。對風溫云圖進行觀察分析可以發(fā)現，當通風時間為60s時，引水洞內進入了大量的冷風與低溫氣體，而高溫氣體也逐漸沿洞壁向橫通道岔口附近轉移。橫通道內冷空氣、高溫氣體會發(fā)生劇烈的熱交換現象，進而造成橫通道內的溫度在短時間內快速升高，即從最初的293K升高至296K。

圖9 通風60s時點橫通道附近風溫分布 (單位：K)

通風時間不斷延長，則高溫氣體在冷空氣的“逼迫”之下逐步向引水洞出口轉移，其具體運動轉移過程見圖10。對圖10進行觀察對比可知，當r由2min延長至4min時，熱空氣與掘進面之間的距離也逐漸拉大，即由70cm變?yōu)?0cm；當r為10min時，高溫氣體便運動至引水洞中間位置，與掘進面之間的距離達到300m，掘進面最高溫度也急劇下降，為298K左右。

圖10 高溫氣體向引水洞出口運移的動態(tài)發(fā)展過程 (單位：K)

此結論表明，由于施工通風的作用，高溫氣體被逐漸驅散，掘進面溫度也緩慢降低，施工通風方式可以有效降低引水洞內部溫度。另外，由于引水洞內部冷空氣、熱空氣同時存在，并且這兩種溫度不同的空氣存在密度差異，因此導致密度異重流狀況產生(見圖10中的虛線放大圖)。

根據本文研究分析需求，在引水洞內部分別取距離掘進面10m(x=540m)、20m(x=530m)、30m(x=520m)的平行截面，再加上掘進面(x=550m)，構成四組平行橫截面，對四組平行面上的溫度隨時間變化狀況進行全方位、多層面的剖析，結果見圖11。

圖11 掘進面區(qū)域的溫度狀態(tài)曲線

對圖11進行對比觀察可知，當處于通風初始階段時，掘進面溫度、掘進面周圍風溫基本保持相同，即為303K；當通風正式開始之后，四條溫度曲線均開始呈現下降趨勢，并展現出先快后慢的特點。掘進面壁溫的下降速度要遠遠低于其他三個截面，這是因為氣體與固體間的熱交換速度要遠遠低于氣體與氣體間的熱交換速率。當t為60s時，掘進面溫度下降了3K，即為300K，而另外三個截面的溫度卻降低了7K，即為296K。當通風時間達到300s之后，掘進面平均風溫為304K，并且下降速度十分緩慢，而另外三個截面的平均風溫降低至293K左右，但是隨著時間的推移，基本不會再產生較大變化。當通風20min之后，掘進面溫度為293K，施工溫度已經完全符合要求。

3 粉塵顆粒運移過程分析

在引水洞掘進面爆破、噴射混凝土等工序都要產生大量粉塵。粒徑小于5μm的呼吸性粉塵對施工人員危害甚大。本節(jié)采用Euler-Lagrange模型，探究大渦狀態(tài)下，引水洞施工塵粒動態(tài)運移和彌散特性。

3.1 洞內顆粒動態(tài)運移

顆粒從掘進面釋放后，時點為10s、15s、20s和30s條件的粉塵顆粒洞內分布演變見圖12。顆粒不同速度表現為圖中的不同顏色。

圖12 粉塵顆粒洞內分布演變 (單位：m/s)

分析結果顯示，通風的前幾秒，掘進面中下部與頂部分別有兩個主要渦旋形成。t=10s時點，在渦旋影響下，氣流分成兩組，分別沿引水洞中下部和頂部運移顆粒簇；t=15s時點，三維湍流脈動促使顆粒向引水洞擴散；t=20s和30s時點，顆粒群繼續(xù)向引水洞中部運移，顆粒簇在湍流隨機脈動作用下彌散開來，向引水洞全斷面分布。顆?？臻g分布隨通風時間推移而展現出隨機性與三維性?？梢?，顆粒從掘進面釋放后，初始以顆粒簇狀態(tài)聚集，隨后均勻彌散分布于引水洞全斷面，形成對引水洞全斷面的粉塵污染。引水洞橫道顆粒彌散狀態(tài)見圖13。

圖13 引水洞橫道顆粒彌散 (單位：m/s)

粉塵顆粒在釋放60s后飄移到橫道位置(見圖13)，經岔口有少量粉塵涌入橫道，形成橫道內粉塵污染。粉塵顆粒進入橫通一般會滯留很長時間，因為橫道內湍流活動較弱，風速較小。處置橫道粉塵污染顯然須額外采取降塵措施才行。

3.2 洞內顆粒濃度變化

圖14展示的是隨時間的兩交通洞引水洞出口的排塵率變化曲線。曲線揭示顆粒群隨通風時間增加不斷移向引水洞出口。排塵率在1900s時點之前始終為零，意味粉塵顆粒在該時點之前還沒有抵達引水洞出口處；但該時點后，顆粒不斷從引水洞出口排出，排塵率隨時間增加亦逐漸攀升。在4600s時點，引水洞出口的排塵率幾乎達到100%，意味粉塵顆粒絕大多數已經排出洞口。

圖14 引水洞出口隨時間變化的排塵率曲線

典型區(qū)間250～550m段，典型時點1min、5min以及10min的引水洞顆粒濃度沿程分布曲線。

3.3 風管出口風速的影響

選取10m/s、13.5m/s和15m/s風管出口三種不同風速工況，對比通風1min時點三種工況掘進面近域粉塵濃度的分布狀態(tài)。為了方便對比，特別統(tǒng)一設置各圖色條區(qū)間在0～300mg/m3范圍。掘進面附近基于不同風速的粉塵濃度對比云圖見圖15。

圖15 掘進面附近基于不同風速的粉塵濃度對比云圖 (單位：mg/m3)

由圖15可以看到，基于三種工況的計算結果相互類似，顆粒均彌漫于掘進面80m附近區(qū)域，濃度狀態(tài)呈現了較大的隨機性。其中，10m/s工況與15m/s工況所得掘進面附近濃度的分布更為接近；區(qū)別僅在于15m/s工況所得掘進面附近顆粒濃度較10m/s工況低，但在遠離掘進面位置，15m/s工況所得顆粒濃度高于10m/s工況計算所得。13.5m/s工況所得粉塵濃度值較10m/s工況明顯低?？傮w看13.5m/s工況下，引水洞掘進面排塵通風的效果相對更理想。

分別在距掘進面10m、20m、30m及40m選取引水洞典型橫斷面，分別記為Q1、Q2、Q3及Q4。以通風1min時點，對比不同工況下引水洞橫斷面粉塵顆粒平均濃度，具體結果見表3。

表3 典型斷面三種工況下的平均顆粒濃度

由表3可以看到，隨斷面距掘進面距離增加，斷面平均粉塵顆粒濃度三種工況下，呈先提高后降低規(guī)律，平均粉塵濃度在Q3斷面位置達到最大，分別為81.30mg/m3(工況一)、75.40mg/m3(工況二)和85.80mg/m3(工況三)。比較不同工況下相同斷面平均顆粒濃度，工況二狀態(tài)下，四個斷面的粉塵平均濃度均達最低點，各濃度值具體為31.80mg/m3(Q1)、42.40mg/m3(Q2)、75.40mg/m3(Q3)和70.90mg/m3(Q4)。足見最優(yōu)工況為工況二，就是說工程施工應用中，風管出口風速以13.5m/s的控制效果相對更好，以此才能獲得掘進面附近最小的粉塵彌漫濃度。

4 結 語

本文依托交漳水電站工程案例，運用ICEM CFD有限元智能分析系統(tǒng)和歐拉-拉格朗日大渦兩相流模擬模型，對引水洞施工排塵通風課題開展分析研究。通過進行水電引水洞風流場、壓力場以及氣固熱有限元計算，對水電引水洞施工環(huán)境的粉塵顆粒運移過程進行歐拉-拉格朗日大渦兩相流模擬分析，得出結論：水電引水洞施工中，送風管的出口風速以13.50m/s控制效果較好。