莫 凡，李超順，何葵東，金 艷，丁嘉奇

(1.國(guó)電投水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；4.華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著全社會(huì)用電量的逐年增加使得電網(wǎng)穩(wěn)定性以及電力需求面臨巨大的挑戰(zhàn)，由于水電站具有調(diào)峰調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)建設(shè)迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)遇[1]。隨著大型地下工程建設(shè)技術(shù)的成熟，越來(lái)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(fēng)條件不暢以及溫濕度過(guò)高等問(wèn)題進(jìn)而給工作人員帶來(lái)很差的工作條件，因此地下廠房的通風(fēng)問(wèn)題成為學(xué)者所關(guān)注的對(duì)象[2-7]。

目前對(duì)地下廠房通風(fēng)問(wèn)題的常見(jiàn)研究方法有相似模型、區(qū)域模型以及CFD數(shù)值模擬[8-10]。由于CFD數(shù)值模擬具有還原真實(shí)模型來(lái)模擬工況且其他研究方法無(wú)法模擬的優(yōu)點(diǎn)而被學(xué)者廣泛研究。如：任彤利用CFD方法對(duì)地下廠房?jī)?nèi)部廊道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕分布情況及規(guī)律進(jìn)行分析[11]；龔勝?gòu)?qiáng)通過(guò)在相同工況條件下進(jìn)行相似模型試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比從而驗(yàn)證CFD模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)而分析了大型地下水電站不同送風(fēng)溫度和局部空調(diào)啟停工況下廠房溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的分布規(guī)律[12]；Shao等采用CFD方法對(duì)不同通風(fēng)方案下隧道群內(nèi)的流體進(jìn)行了數(shù)值模擬進(jìn)而制定隧道群內(nèi)的通風(fēng)方案[13]；Li等采用CFD技術(shù)和PIV測(cè)量技術(shù)，對(duì)不同噴嘴射流速度和設(shè)計(jì)熱源下地下水電站發(fā)電機(jī)層的流場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)而為大空間地下建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考[14]；Liu等利用CFD技術(shù)將改進(jìn)的RNG k-epsilon模型應(yīng)用于溪洛渡電廠通風(fēng)系統(tǒng)的模擬研究，進(jìn)而驗(yàn)證CFD在大空間深地下通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中的準(zhǔn)確性和可靠性[15]。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下廠房的熱濕環(huán)境進(jìn)行了大量研究，但是通常是用CFD模擬并分析廠房?jī)?nèi)部機(jī)械通風(fēng)方式的熱濕環(huán)境并對(duì)機(jī)械通風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化布局，缺乏對(duì)自然通風(fēng)方式的分析以及整體環(huán)境氣流組織的評(píng)價(jià)。

因此，本文以某水電站地下廠房為研究對(duì)象，建立水輪機(jī)層三維模型，利用CFD模擬水輪機(jī)層內(nèi)部區(qū)域在自然通風(fēng)方式、除濕機(jī)一側(cè)布局方式、除濕機(jī)交叉布局方式3種不同條件下的熱濕環(huán)境，并對(duì)這3種通風(fēng)方式的氣流組織分別進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，進(jìn)而為該電站的防潮除濕工作提供依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論

在使用CFD進(jìn)行流體流動(dòng)的計(jì)算與分析時(shí)，要受到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量守恒方程的控制。

連續(xù)性方程指在一定時(shí)間內(nèi)流入微元體質(zhì)量與流出流體質(zhì)量不相等時(shí)，微元體內(nèi)一定存在流體密度的變化。流經(jīng)微元體的流體質(zhì)量的變化應(yīng)與由于流體密度的變化而產(chǎn)生的流體質(zhì)量變化相等，其微分形式為

(1)

式中，t為單位時(shí)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(dòng)量方程指控制體中動(dòng)量隨時(shí)間的變化率與其受到的外力之和相等。在考慮粘性項(xiàng)時(shí)，方程微分表達(dá)形式為

(2)

式中，i、j可取值為1、2、3，用來(lái)表示3個(gè)空間坐標(biāo)；P為壓力；μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；g為重力加速度。

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)熱交換時(shí)，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(jìn)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(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)；Cp為氣體的比熱。

2 水電站地下廠房濕熱環(huán)境模擬

2.1 模型選擇與設(shè)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(duì)計(jì)算機(jī)性能以及結(jié)果精度的考慮，本文在計(jì)算時(shí)選擇基于標(biāo)準(zhǔn)模型改進(jìn)的RNGk-ε模型，通過(guò)重整化群理論的統(tǒng)計(jì)方法推導(dǎo)進(jìn)而使計(jì)算結(jié)果更精準(zhǔn)可靠。其方程模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型較為相似，即

(4)

(5)

二者之間的主要區(qū)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(dòng)能；αk=1.39；μeff為等效粘性系數(shù)；Gk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；Ym為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的作用；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε和C3ε均為常數(shù)；Cμ=0.048 5；此外，

(9)

流模型解決的是多種流體混合輸運(yùn)問(wèn)題，若多種介質(zhì)分子處于分子混合水平上，則無(wú)法應(yīng)用多相流模型，此時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)用組分輸運(yùn)模型進(jìn)行求解。對(duì)于不涉及化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)過(guò)程，就像本文中需要求解的濕度問(wèn)題，可以采用無(wú)反應(yīng)的組分輸運(yùn)模型，求解并計(jì)算組分在對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程中各組分的時(shí)空分布。

圖1 水輪機(jī)層簡(jiǎn)化模型

2.2 實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分

水輪機(jī)是整個(gè)電站運(yùn)行的重要設(shè)備，因此本文選擇以水輪機(jī)層為研究對(duì)象。由于本文重點(diǎn)在于闡述3種不同通風(fēng)條件對(duì)水輪機(jī)熱濕環(huán)境及其氣流組織的影響，與機(jī)組設(shè)備關(guān)系不大，故建模時(shí)將水輪機(jī)組設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體見(jiàn)圖1。

本文將模型導(dǎo)入到Design Modeler中抽取流體域，用ICEM CFD對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，目的是提高仿真結(jié)果的精確性。由于本文以1∶1比例尺進(jìn)行模型建立，整體尺寸較大，故采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以便提高計(jì)算速度，對(duì)部分part進(jìn)行加密處理以便提高網(wǎng)格精確度。

2.3 邊界條件設(shè)置

由于本文對(duì)水輪機(jī)層在自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下的熱濕環(huán)境均進(jìn)行數(shù)值分析，故在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)有3種不同的邊界條件，機(jī)械通風(fēng)采用布置除濕機(jī)的方式，且每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)除濕機(jī)，為更好分析除濕機(jī)的除濕效果，本文對(duì)比了兩種除濕機(jī)的布局方式分別為一側(cè)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(jī)的送風(fēng)口。

3 氣流組織特性評(píng)價(jià)

對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)氣流分布的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在其安全性。經(jīng)濟(jì)性以及舒適度方面，其中最常用的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為不均勻系數(shù)、空氣擴(kuò)散性能指數(shù)、能量利用系數(shù)。

3.1 不均勻系數(shù)

溫度不均勻系數(shù)是用來(lái)衡量某一區(qū)域內(nèi)氣流組織的分布的均勻程度，具體求解思路是在該區(qū)域中選取一定測(cè)點(diǎn)、測(cè)量其溫度，然后分別求解這些測(cè)點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值以及均方根偏差，計(jì)算公式為

(10)

(11)

(12)

式中，Kt為溫度不均勻系數(shù)。當(dāng)溫度不均勻系數(shù)越小時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)部的氣流組織分布越均勻。

3.2 空氣擴(kuò)散性能指數(shù)

空氣擴(kuò)散性能指數(shù)簡(jiǎn)稱ADPI指數(shù)，該指數(shù)可以衡量在某一區(qū)域內(nèi)部人體的舒適度。通過(guò)測(cè)量局部有效通風(fēng)溫度(EDT)進(jìn)而確定該區(qū)域內(nèi)部可以接受的溫度的比例，EDT是結(jié)合區(qū)域內(nèi)部溫度與通風(fēng)速度計(jì)算出的溫差，研究表明，EDT在-1.7～+1 ℃之間，舒適度較好。EDT計(jì)算公式為

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

(13)

式中，Ti為區(qū)域內(nèi)部某時(shí)刻的溫度；Tm為區(qū)域內(nèi)部的空氣溫度；Vi為區(qū)域內(nèi)部某時(shí)刻的空氣流速。

通過(guò)EDT值可求ADPI為

(14)

3.3 效率系數(shù)

能量效率系數(shù)又稱溫度效率，是衡量氣流分布經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，也可以反應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗情況，因此該系數(shù)越高表明通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果越好。其計(jì)算公式為

(15)

式中，Tout為排風(fēng)口溫度；Tin為送風(fēng)口溫度；Tave為區(qū)域內(nèi)部平均溫度。

4 多場(chǎng)景模擬結(jié)果對(duì)比分析

某水電站地處南方城市，一年中潮濕天氣數(shù)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(dǎo)致廠房?jī)?nèi)部潮濕問(wèn)題嚴(yán)重，其空氣環(huán)境質(zhì)量較地面建筑惡劣。為研究水電站地下廠房?jī)?nèi)部的通風(fēng)情況并提出防治建議，本文模擬并對(duì)比分析自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下水輪機(jī)層的熱濕環(huán)境狀況。選擇在水輪機(jī)層布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)作為初始邊界值，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3，邊界條件及參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1、2。

圖2 3種不同通風(fēng)方式邊界布置

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

表1 自然通風(fēng)邊界條件及參數(shù)設(shè)置

表2 除濕機(jī)工況邊界條件及參數(shù)設(shè)置

本文選取該電站水輪機(jī)層1.7 m高度處的截面位置進(jìn)行分析，因?yàn)榇宋恢貌粌H為工作人員呼吸區(qū)域、設(shè)備運(yùn)行的主要位置，而且為水輪機(jī)高度方向的中間位置，能夠很好地反映出水輪機(jī)層溫度、濕度以及速度場(chǎng)的變化規(guī)律。此外，在縱向空間上選取4個(gè)截面，分別位于水輪機(jī)層5個(gè)機(jī)組之間的中間位置處，以便更好地觀察機(jī)組縱向區(qū)域的通風(fēng)情況，如圖4所示。

圖4 截面位置示意

4.1 熱濕環(huán)境對(duì)比分析

4.1.1 速度場(chǎng)

1.7 m處不同邊界條件下，速度場(chǎng)云圖如圖5所示。從圖5可以看出，在自然通風(fēng)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(hào)機(jī)組周圍區(qū)域空氣流動(dòng)情況較好，其中4號(hào)、5號(hào)機(jī)組的中間區(qū)域空氣流動(dòng)情況最好，2號(hào)機(jī)組右側(cè)區(qū)域空氣流動(dòng)情況一般，1號(hào)機(jī)組周圍區(qū)域空氣流動(dòng)情況很差。這是因?yàn)?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)可知，三處送風(fēng)口與3～5號(hào)機(jī)組距離很近，氣流經(jīng)送風(fēng)口在3處機(jī)組周圍充分流動(dòng)，僅有小部分氣流流向1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組，故導(dǎo)致這兩處機(jī)組周圍氣流分布很差。在安裝除濕機(jī)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(fēng)所帶來(lái)的問(wèn)題。從整體速度值來(lái)看，交叉送風(fēng)方式速度值在0.570 m/s左右，而一側(cè)送風(fēng)方式速度值在0.537 m/s左右，因此除濕機(jī)采用交叉送風(fēng)布局更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 1.7 m處速度場(chǎng)云圖

圖6 1.7 m處溫度云圖

4.1.2 溫度場(chǎng)

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(fēng)條件下根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)3個(gè)送風(fēng)口的速度值分別為0.57、0.97、0.38 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度值分別是14.2、14.1、15.3 ℃。從圖6可知，自然通風(fēng)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(jī)層內(nèi)部氣流進(jìn)行熱量交換，導(dǎo)致在5號(hào)機(jī)組附近區(qū)域的溫度值較小；而在除濕機(jī)工況下由其提供新風(fēng)，初始設(shè)置溫度均為20.8 ℃，因此在兩種除濕機(jī)運(yùn)行條件下溫度幾乎沒(méi)有明顯變化。

4.1.3 濕度場(chǎng)

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(fēng)工況下整體濕度值偏大，基本數(shù)值在82.8%左右，這是因?yàn)榇杭径嘤陮?dǎo)致外界氣流濕度高，在進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，外界環(huán)境攜帶的水蒸氣會(huì)進(jìn)入水輪機(jī)內(nèi)部區(qū)域進(jìn)而導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)部濕度值大；而在安裝除濕機(jī)后，水輪機(jī)層濕度大幅度下降，數(shù)值維持在50%左右，就兩種除濕機(jī)布局對(duì)比，交叉送風(fēng)條件濕度值在50.7%左右、一側(cè)送風(fēng)條件濕度值在51.2%左右，因此除濕機(jī)采用交叉布局方式效果更優(yōu)。

4.2 氣流組織評(píng)價(jià)

從圖4中可知，本文在水輪機(jī)層均勻布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫濕度以及速度的測(cè)量后可對(duì)該區(qū)域的氣流組織進(jìn)行研究分析，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種不同通風(fēng)方式氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)

從表3可以看出，在安裝除濕機(jī)時(shí)溫度不均勻系數(shù)較小，說(shuō)明整體氣流分布均勻，間接體現(xiàn)除濕機(jī)緩解水輪機(jī)層在自然同風(fēng)條件下所帶來(lái)的弊端。在對(duì)ADPI指數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，通常認(rèn)為當(dāng)ADPI≥80%時(shí)，氣流組織分布比較理想；當(dāng)ADPI=100%時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域空氣質(zhì)量為優(yōu)。在安裝除濕機(jī)后，兩種布局方式的ADPI系數(shù)均不小于80%，說(shuō)明符合要求。就能量效率系數(shù)來(lái)看，在自然通風(fēng)條件下數(shù)值最大，但在自然通風(fēng)條件下整體濕度過(guò)大，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行并且降低人員舒適度，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除濕機(jī)交叉布局時(shí)的能量效率系數(shù)相對(duì)除濕機(jī)一側(cè)布局較大。綜合分析，除濕機(jī)交叉布局更加合理。

5 結(jié) 論

本文以某電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬并分析了3種不同通風(fēng)情況下水輪機(jī)層的熱濕環(huán)境變化并對(duì)其通效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

圖7 1.7 m處濕度云圖

(1)在春季自然通風(fēng)條件下，水輪機(jī)層通風(fēng)分布不均勻，在靠近送風(fēng)口處通風(fēng)情況較好而遠(yuǎn)離送風(fēng)口區(qū)域通風(fēng)質(zhì)量較差；并且整體濕度值在80%以上，不僅會(huì)對(duì)設(shè)備造成不利影響而且會(huì)降低工作人員舒適度。

(2)通過(guò)對(duì)比除濕機(jī)一側(cè)布置和交叉布置兩種布局方式的氣流組織指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，雖然一側(cè)布置方式的ADPI系數(shù)大，工作人員舒適度體感好，但是交叉送風(fēng)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(yōu)。