CN114330050A

CN114330050A - 抽水蓄能电站地下厂房通风廊道的温湿度数值模拟方法

Info

Publication number: CN114330050A
Application number: CN202111471203.5A
Authority: CN
Inventors: 沈雄; 李昂
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开一种抽水蓄能电站地下厂房通风廊道的温湿度数值模拟方法，包括以下步骤：(1)创建通风廊道的几何模型；(2)利用ICEM CFD软件对建立的几何模型进行网格划分，划分若干套不同密度的网格；(3)对几何模型进行参数设置并设置边界条件；(4)利用FLUENT软件对通风廊道的几何模型的控制方程和边界条件进行离散和求解；(5)利用FLUENT后处理工具，生成通风廊道横截面的速度、温度和相对湿度分布的云图和矢量图，以及通风廊道内空气参数随进深变化的曲线图，统计通风廊道沿进深方向不同位置的速度、温度、相对湿度参数的计算结果，依据计算结果进行相关的空气处理设备选型和除湿机的布置工作。

Description

抽水蓄能电站地下厂房通风廊道的温湿度数值模拟方法

技术领域

本发明涉及建筑环境工程领域，具体为一种抽水蓄能电站地下厂房通风廊道的温湿度数值模拟方法。

背景技术

随着城市的不断发展，地下建筑的发展规模正在不断扩大。抽水蓄能电站是重要的水利枢纽工程，具有规模巨大，结构复杂的特点，新建的抽水蓄能电站大部分建筑位于地下，且埋深较大。抽水蓄能电站的地下廊道群是重要的通风和交通通道，通常包括通风洞、交通洞、排风平洞、排风竖井等。通常，新风由室外经通风洞引入到地下厂房内，由于岩体的蓄热作用，空气流经通风廊道时会与壁面进行热湿交换，从而导致其温度、相对湿度等状态参数发生改变。为了保证引入厂房的新风能够满足设计要求，同时尽量避免出现避免结露等问题，需要对地下廊道内的空气状态参数进行计算。

随着计算流体力学技术和CFD软件的不断发展，以及计算设备性能的不断提高，CFD数值模拟技术已经成为研究流动传热传质问题的重要手段。CFD技术因其成本低、速度快的优势，越来越受到研究人员的青睐。特别是它对理想条件、极端环境以及复杂工程具有很强的适应性，而且操作十分简单方便，能够以较低的代价获得相对可靠的结论，具有理论分析和模型试验无可比拟的优势。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种针对抽水蓄能电站地下厂房廊道的温度和湿度分布情况的模拟方法，在获得地下廊道内的气流参数及其分布结果的基础上，可以进行针对性的分析，判断其是否满足设计要求，并考虑相关的工程技术措施。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抽水蓄能电站地下通风廊道的温湿度数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)根据已有的地下抽水蓄能电站通风廊道的相关图纸，确定廊道的形状和尺寸后，在ICEM CFD软件中以1:1的比例创建通风廊道的几何模型；

(2)利用ICEM CFD软件对建立的几何模型进行网格划分，采用四面体网格进行计算；对通风廊道壁面、洞口参数变化梯度大的区域进行网格加密，划分若干套不同密度的网格，并检查网格的质量和数量，划分的网格纵横比(Aspect ratio)应小于5，偏斜率(Skewness)应小于0.95，且划分的网格应准确反映研究需要的几何细节；

(3)将建立的网格导入到FLUENT软件中，根据通风廊道内空气流动的特点选择RNGk-ε湍流模型，通风廊道壁面附近采用标准壁面函数，同时根据温度和湿度计算的需要开启能量模型和组分模型，将通风廊道内的空气视为由水蒸气和空气组成的混合气体，并分别对水蒸气和空气物性参数进行设置；

(4)设置边界条件；通风廊道的入口设置为velocity inlet边界，出口设置为outflow边界，通风廊道的壁面设置为wall边界；根据设计条件和室外设计参数设置入口处的送风速度、温度和湿空气的组分质量分数；通风廊道的壁面视为定温边界条件；

(5)利用FLUENT软件对通风廊道的几何模型的控制方程和边界条件进行离散，选用二阶迎风格式对动量、能量、湍动能、湍流耗散率参数进行离散，采用SIMPLEC的压力-速度耦合算法，首先对通风廊道内的速度场和温度场进行计算求解；将相同工况下不同密度的网格的计算结果进行比较，选择计算结果符合物理事实且网格数量较少的网格进行后续计算；计算过程中保持对通风廊道出口处速度、温度和组分质量分数的监视，当能量方程的残差小于10^-6，连续性方程、动量方程和组分方程的残差小于10^-3，且监视的参数稳定时，认为计算结果收敛；改变边界条件对需要的其他工况进行计算，计算完成后将计算结果导出，用于后续的处理分析；

(6)利用FLUENT后处理工具，生成通风廊道横截面的速度、温度和相对湿度分布的云图和矢量图，以及通风廊道内空气参数随进深变化的曲线图，统计通风廊道沿进深方向不同位置的速度、温度、相对湿度参数的计算结果，依据计算结果进行相关的空气处理设备选型和除湿机的布置工作。

进一步的，步骤(4)中将通风廊道分为若干个首尾相连的计算单元，对每个计算单元分别建立气流流动换热的方程，并根据相关资料对各壁面边界的参数进行设定；空气与通风廊道壁面进行的湿交换过程能够由用户根据相关参数编写UDF，通过接口导入到FLUENT中进行计算。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明将地下廊道分为若干个首尾相连的计算单元，能够准确体现出抽水蓄能电站地下廊道的壁面温度随埋深的变化，使模拟计算的边界条件与实际工况更为接近。

2.根据双膜理论编写UDF对空气与廊道壁面的湿交换过程进行适当的简化，相较于采用多相流的方法，物理模型更为简单，提高了计算速度。

附图说明

图1为抽水蓄能电站地下廊道的温湿度数值模拟方法的流程图。

图2是温度变化曲线图。

图3是相对湿度变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明采用ANSYS公司的Fluent软件对地下廊道内的温度和湿度分布情况进行模拟分析，综合分析地下廊道的结构特点和负荷构成，经过几何建模、网格划分、模型选择、参数设置和计算求解几个关键步骤最终得到地下廊道各截面的温度和相对湿度计算结果。下面结合一个工程实例对实施流程进行说明，具体如下：

一、几何建模

根据已有的地下抽水蓄能电站通风廊道的相关图纸和设计资料等，确定通风廊道的形状和尺寸后，在ICEM CFD软件中以1:1的比例建立通风廊道的几何模型。在建模过程中考虑到地下通风廊道属于狭长型洞室，可根据研究的重点对其适当简化，以节省计算的成本。如抽水蓄能电站地下廊道的断面多为马蹄形，为了计算的方便，也可以使用当量直径为d的圆形截面进行等效计算。当量直径

d=4F/S

其中F为廊道断面的面积，S为廊道断面的周长。

某抽水蓄能电站的地下通风洞全长1360.0m，平均坡度为5.3％，断面形状为马蹄形，断面净尺寸为7.5m×8.0m，断面面积为55.9m²，通风洞末端分别与主变通风洞和副厂房端部连接。在ICEM CFD软件中以1:1的比例建立通风洞的几何模型。

二、网格划分

利用ICEM CFD软件对建立的几何模型进行网格划分，由于地下廊道断面形状的不规则性和结构的复杂性，划分结构化网格时具有较大的难度。为节省处理时间，保证计算精度，采用非结构化网格进行计算。对壁面、洞口附近等参数变化梯度较大及重点关注的区域进行适当的网格加密，划分多套不同密度的计算网格，划分的网格纵横比(Aspect ratio)应小于5，偏斜率(Skewness)应小于0.95，且划分的网格应准确反映研究需要的几何细节。以保证计算结果的准确性。网格划分完成后应检查网格的质量和数量，在正式开展计算工作之前还要进行网格的独立性验证，以确保所划分的网格能够满足计算的需求。

通过ICEM CFD软件对建立的通风洞几何模型进行网格划分，网格类型采用四面体非结构网格，划分方法使用软件提供的自动划分方法，在通风洞壁面附近划分边界层网格，层数为5，增长率设置为1.1。分别以2m，1m和0.5m为最小网格尺寸划分三种不同密度的计算网格，用于后续进行网格的独立性验证。检查网格的质量指标，均能够满足计算的需求。计算网格的相关信息列于表1。

表1计算网格信息统计表

序号	最小网格尺寸m	网格数量	平均纵横比	平均偏斜率
					1	2	112万	3.2	0.44
2	1	228万	2.5	0.32
					3	0.5	566万	1.9	0.18

三、模型参数设置

空气在地下通风廊道内与壁面间有着复杂的热湿交换过程，这就需要根据实际过程的特点对流动、传热和传质模型的选择和参数设置进行仔细的分析。

流场中气体的流动遵循物质守恒定律，即需要建立质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。由于温差导致的热浮力影响，会导致自然对流。对于自然对流，可采用Boussinesq模型进行近似。在抽水蓄能电站地下廊道内，空气流动的状态多为湍流状态。在对廊道内的气流参数分布进行模拟时，需要选取合适的湍流模型。对于具有复杂几何外形的流动，可选用k-ε模型进行模拟，因其具有收敛性好，内存需求小的特点。对于壁面y+>30的网格，可采用标准壁面函数进行模拟。

廊道内的空气可以视为水蒸气和干空气两种理想气体的混合气体，其在对流扩散过程中还要遵循组分守恒定律。考虑到廊道内的湿空气可能在流道壁面上发生结露，因此通过自定义组分和能量源项对壁面附近发生的热质传递过程进行计算。湿空气在壁面凝结时，在表面形成一层很薄的水膜。假定水膜与壁面处于热平衡状态，且水膜-空气-水蒸气的混合界面处也达到热力学平衡状态，根据经典双膜理论，壁面附近的传热传质阻力包括气膜阻力和液膜阻力两部分即

式中K为总传质系数，K_g为气膜吸收系数，K_i为液膜吸收系数，m为相平衡系数。

壁面附近的组分和能量源项定义为

M=KA(W-W_i)

Q=rM

式中M为质交换量，A为计算单元的面积，w为主流空气的水蒸气浓度，w_i为气液相界面处的水蒸气浓度，Q为传热量，r为相变潜热。

根据计算模型和参数编写质量和能量源项，并通过UDF导入到fluent求解器进行后续的计算。

边界条件的设置要根据实际工况参数进行确定，例如对于地下廊道的入口，可以设置为速度入口velocity inlet边界。出口设置为outflow边界；对于廊道壁面，由于地下廊道的岩体可视为半无限大的物体，岩体内部受到廊道内气流影响的区域是有限的，可将其视为定温wall边界条件。为了考虑地下建筑不同埋深的土壤温度变化，将狭长的通风廊道分为若干个首尾相连的计算单元，对每个单元分别建立气流流动换热的方程，并根据相关资料对各壁面边界的温度等参数进行设定。

将划分完成的通风洞计算网格导入到fluent软件进行求解，设置参数如下：湍流模型使用RNG k-ε两方程模型，壁面函数采用标准壁面函数。开启能量模型和组分模型。另外考虑由于温差导致的自然对流的影响，采用Boussinesq近似模型。计算的流体设置为水蒸气-空气混合物，质交换的扩散系数设置为2.55×10^-5m²/s。

根据实际工况参数，对通风洞入口、出口和通风洞壁面赋边界条件，入口设置为velocity-inlet，根据夏季工况通风洞的风量65×10⁴m3/h和通风洞断面尺寸计算出空气流速为3.23m/s，流体参数为室外空气计算参数。通风洞出口设置为outflow边界。通风洞壁面边界条件设置为wall，将壁面划分为若干个首尾相接的计算单元，边界条件参数如表2和表3所示。

表2边界条件参数表

表3壁面温度统计表

四、计算求解

完成模型建立和参数设置后，即可对通风廊道的参数分布情况进行数值模拟。模拟时首先对廊道内的流场和温度场进行模拟，对求解的各参数选择合适的离散格式及算法。本实施例中利用FLUENT软件对模型的控制方程和边界条件进行离散，选用二阶迎风格式对动量、能量、湍动能、湍流耗散率参数进行离散，采用SIMPLEC的压力-速度耦合算法，首先对地下廊道内的速度场和温度场进行计算求解。将相同工况下不同密度的网格的计算结果进行比较，选择计算结果符合物理事实且网格数量较少的网格进行后续计算。计算过程中保持对地下廊道出口处速度、温度和组分质量分数的监视，当能量方程的残差小于10^-6，连续性方程、动量方程和组分方程的残差小于10^-3，且监视的参数基本稳定时，可认为计算结果收敛。改变边界条件对需要的其他工况进行计算，计算完成后将计算结果导出，用于后续的处理分析。本例中，对求解器参数的设置情况如表4所示。

表4求解器设置参数表

方程	离散格式	收敛判定条件
			质量	二阶迎风格式	残差<10<sup>-3</sup>
动量	二阶迎风格式	残差<10<sup>-3</sup>
			能量	二阶迎风格式	残差<10<sup>-6</sup>
组分	二阶迎风格式	残差<10<sup>-3</sup>
			湍动能	一阶迎风格式	残差<10<sup>-3</sup>
湍流耗散率	一阶迎风格式	残差<10<sup>-3</sup>

五、处理和分析。

利用FLUENT后处理工具，生成廊道横截面的速度、温度和相对湿度分布的云图和矢量图，以及廊道内空气参数随进深变化的曲线图，统计廊道沿进深方向不同位置的速度、温度、相对湿度参数的计算结果，依据计算结果进行相关的空气处理设备选型和除湿机的布置等工作。

本例中，对求解得到的结果进行后处理生成了某抽水蓄能电站地下通风洞内温度和相对湿度沿进深变化的曲线图以及出口断面温湿度分布的云图，用于后续的分析工作，示例结果如图2和图3所示。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抽水蓄能电站地下厂房通风廊道的温湿度数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)利用ICEM CFD软件对建立的几何模型进行网格划分，采用四面体网格进行计算；对通风廊道壁面、洞口区域进行网格加密，划分若干套不同密度的网格，并检查网格的质量和数量，划分的网格纵横比Aspect ratio应小于5，偏斜率Skewness应小于0.95，且划分的网格应准确反映研究需要的几何细节；

(3)将得到的网格导入到FLUENT软件中，根据通风廊道内空气流动的特点选择RNG k-ε湍流模型，通风廊道壁面附近采用标准壁面函数，同时根据温度和湿度计算的需要开启能量模型和组分模型，将通风廊道内的空气视为由水蒸气和空气组成的混合气体，并分别对水蒸气和空气物性参数进行设置；

(5)利用FLUENT软件对通风廊道的几何模型的控制方程和边界条件进行离散，选用二阶迎风格式对动量、能量、湍动能、湍流耗散率参数进行离散，采用SIMPLEC的压力-速度耦合算法，首先对通风廊道内的速度场和温度场进行计算求解；将相同工况下不同密度的网格的计算结果进行比较，在计算结果符合物理事实的前提下选择数量最少的网格进行后续计算；计算过程中保持对通风廊道出口处速度、温度和组分质量分数的监视，当能量方程的残差小于10^-6，连续性方程、动量方程和组分方程的残差小于10^-3，且监视的参数稳定时，认为计算结果收敛；改变边界条件对需要的其他工况进行计算，计算完成后将计算结果导出，用于后续的处理分析；

2.根据权利要求1所述一种抽水蓄能电站地下通风廊道的温湿度数值模拟方法，其特征在于，步骤(4)中将通风廊道分为若干个首尾相连的计算单元，对每个计算单元分别建立气流流动换热的方程，并根据相关资料对各壁面边界的参数进行设定；空气与通风廊道壁面进行的湿交换过程能够由用户根据相关参数编写UDF，通过接口导入到FLUENT中进行计算。