610 组成24700 (2).doc

2.2.4能量利用系数从能耗方面考虑气流组织的评价指标为能量利用系数。空调系统的能耗直接受室内气流组织的直接影响。良好而经济的气流组织形式，是使空调送风有效地排出工作区的余热，而不是将工作区以外的余热带入工作区22。这样，通过提高排风温度，而不需要增加送风量，就可直接排除工作区热量，因而提高了系统的经济性。能量利用系数，又称为温度效率(Temperature Emeieney)，其定义式如下8； 式（2-10）式中 ：送风温度， ：排风温度， ：室内工作区的平均温度，通常来说，混合通风系统的能量利用系数为1.0，置换通风或者下送风的能量利用系数大于1.0。事实上，能量利用系数显示的是室内的热力分层特性，即室内温度的梯度变化。对于通风系统或者全新风系统，节能潜力随着能量利用系数的增大而升高。有时，能量利用系数越高，表明室内温度的梯度越大，所以不能够太过分地强调能量利用系数，可能会影响到舒适性。3 CFD软件及数值模拟湍流理论气流组织的模拟运用数值计算的方法对大空间速度场、温度场的分布规律进行研究,数值方法是模拟的基础,它对实现气流组织的模拟有着重要的意义。因此下面对数值模拟的相关理论作以详细介绍27,28。3.1 CFD软件简介CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体力学）的简称29，其伴随数值计算及计算机技术的发展而发展。通俗地讲，CFD相当于在计算机上“虚拟”地做实验，从而模拟实际流体在空间里的流动状况。而其基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域的离散分布，从而近似模拟流体流动状况30。其基本结构包括三大模块，即前处理、求解器和后处理，每个模块都有其独特的作用。前处理的主要包括几何模型的建立和网格自动生成；后处理包括温度场、速度场、压力场、浓度场及其他参数的计算、可视化及动化处理；求解器是数值模拟的主要部分，其基本思想可以归纳为：用一连串有限个离散点的变量值的集合来代替原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，通过一定的原则建立起关于这些离散点的场变量之间关系的方程组，然后求解方程组得到场变量的近似值。上述基本思想如图3.1所示：建立控制方程、确定初始条件和边界件划分子区域，确定节点（区域离散化）当前值重建离散方程建立离散方程（方程离散化）初始条件和边界条件的离散当线性问题求解离散方程非线性问题解收敛否 是解的分析图3.1 CFD求解器计算步骤3.2流体动力学湍流控制方程CFD计算方法可以看作是基本在流动方程（质量方程、动量方程、能量方程）的控制下模拟流体的流动。通过模拟，可以获得复杂问题流场内每个位置基本物理量（如速度、温度、压力、浓度等）随时间变化的情况及分布状况。3.2.1质量方程利用质量守恒定律，单位时间内微元体增加的流体质量，与同一时间间隔流入此微元体的净质量相等。根据这一定律，得到以下的连续性方程： 式（3-1）式中；u、v、w 流体分别在x，y，z方向上的速度分量；流体密度；t 时间。 用散度表示上式中的后三项，可简写成下面的公式： 式（3-2） 由于不可压缩流体的流体密度为常数，质量守恒方程可简化为： 式（3-3）3.2.2动量方程动量守恒定律可以这样表述；在微元体中，外界作用在微元体上的力的和等于微元体动量对时间的变化率，就可以得出x、y和z三个方向上的动量守恒方程。它反映的是在流体流动过程中的动量守恒性质，将流体微元体分别在三个坐标方向上运用牛顿第二定律，引入牛顿切应力公式和Stokes表达式，可得三个速度分量的动量方程如下：u动量方程：式（3-4）v动量方程：式（3-5）w动量方程：式（3-6）其中： 为流体的动力粘度；流体的第二分子粘度，气体取。经过交换，上述动量方程写成以下矢量形式： 式（3-7） 式（3-8） 式（3-9） 式（3-10） 式（3-11） 式（3-12）粘性系数为常数时的不可压缩流，动量方程可简化为： 式（3-13） 式（3-14） 式（3-15）其中，流体的运动粘度。3.2.3 能量方程能量守恒方程可表述为流入微元体的净热流量与体力和面力对其所做的功之和等于微元体中能量的增加率，引入傅立叶导热定律，可得出用温度T和流体比焓h表示的能量方程： 式（3-16）其中：流体导热系数；流体内热源；耗散函数，由于粘性作用使得机械能转换为热能的部分，计算式为： 式（3-17）式中为表面力对流体微元体做的功，可以忽略。另外，对于理想气体、液体、固体，取， 为常数，并把耗散函数纳入源项中，可以得到： 式（3-18）其中， 对于为常数的不可压缩流体，可写为下面的形式： 式（3-19） 3.2.4 控制方程的通用形式流动与传热问题中的控制方程都可表示成以下通用形式； 式（3-20）其中：通用变量，代表各个求解变量；广义扩散系数；广义源项。上述通用形式的控制方程中，四项分别代表为不稳态项、对流项、扩散项和源项。因变量可以表示各种不同的物理量，如焓或速度分量、温度、紊流动能等。3.3 计算区域的离散化对湍流问题进行数值计算首先是要对计算区域进行离散化。计算区域离散化，本质上就是把原来的连续空间用有限个离散的节点来代替。通常，它的实施过程为：用多个互不重叠的子区域来划分所计算的区域，并确定每个子区域的节点位置，计算该节点所表示的控制容积。计算比较规则的区域时，可以通过平行网格线的方法将计算区域离散成为一个个规则的控制容积。但是很多实际的湍流现象在不规则的复杂区域内进行的，对于不规则的计算区域的离散，通常采用以下方法：1.采用阶梯形边界逼近真实边界这种方法就是将曲线边界用阶梯形的网格来逼近，这一方法的缺点是计算边界带有90度角的锯齿状粗糙表面，但随着网格的细化，这一影响是可以减轻的。阶梯状网格构造简单,可以适用于任何形状的边界，因而在近年来引起了许多研究者的兴趣。特别是在计算大规模问题时经常采用,并且如果采用局部加密的方法可以使曲线边界更好地被逼近；2.采用特殊的正交曲线坐标系有许多复杂的区域其边界不可能与现有的各种坐标系正好相符，于是可以采用计算的方法来造成一种坐标系，其各坐标轴恰与被计算物的边界相适应,这种坐标系便称为适体坐标系；3.采用块结构化网格所谓块结构化网格就是把一个复杂的计算区域分成若干个块，每一块内均采用符合本块结构特点的方法离散本块区域，这与数学上的区域分解算法有相同的原理；以上所介绍的方法生成的网格都是结构化网格,结构化网格的特点是节点排列有序，相邻节点之间的关系明确。4.非结构化网格与结构化网格不同,非结构化网格中的节点无法用一个固定的法则予以有序地命名。二维问题可以使用四边形网格和三角形网格，三维问题可以使用六面体、四面体,金字塔形以及楔形单元。非结构化网格生成的数量相对结构化网格数量较多。3.4控制方程的离散控制方程的离散方法就是用计算区域离散节点处的值代替原来连续的待求变量值，待求变量离散化以后，引入各节点变量的某种假设，这些假设之间相互联系，最后代入控制微分方程，得到一组由节点变量表达的代数方程式，称之为离散方程。离散方程的物理内容和基本性质应与原微分方程有同样的相同。引入节点变量相互联系的规律虽然是人为假设的，但是当推导离散方程的节点数目非常大时，节点变量已经接近连续变化了，这种联系规律的假设己无关紧要，在各个节点上离散方程的解将足够地接近微分方程精确解的值。在湍流数值计算中,常用的离散方程推导方法有有限元法、有限体积法、有限差分法，近些年来有限体积法逐渐发展成应用为很广泛的数值计算方法。3.4.1控制容积积分法控制容积积分法是有限体积法中建立离散方程的主要方法。该方法推导过程物理概念清晰直观,其特点是：所得到的结果在任何一组控制容积内，也就是在整个计算区域内，诸如质量、动量等一些满足守道定律的物理量的积分守恒性都可以精确地得到满足。对于任意数目的网格节点，这一特征都存在，因而，即使是粗网格的解也照样显示出准确的积分平衡。该方法继承了有限插分法的优点，得到的离散方程组可以用迭代法求解，每次只需求解一个变量,然后依次转换，直到得到收敛解。应用控制容积积分法导出离散方程的步骤如下：1.守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间与时间作积分，并根据散度定理，把对流项和扩散项的空间积分化为控制容积的界面上的曲面积分。2.确定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线-型线，也就是如何从相邻节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数值的插值方式。3.各个项按选定的型线做出积分,并整理成关于节点上未知值的代数方程。在实施控制容积积分法时常用的型线有两种,即分段线性分布和阶梯式分布。3.4.2用控制容积法离散控制方程图3.2为在流场中任取的微元控制体，控制体的六个面分别表示如下：t、b分别表示控制体在z轴方向的正、负方向；e、w分别表示控制体在x轴方向的正、负方向；n、s分别表示控制体在y轴方向的正、负方向；根据高斯定理，对方程采用控制容积积分法进行离散时，向量散度在控制体上的体积分和该向量控制体表面的面积分相等。因此，在控制体上积分方程，离散化湍流问题的控制方程。离散结果经过合并，可以简化成下面的形式：图3.2 微元控制体 式（3-21）上式中： 式（3-21a） 式（3-21b） 式（3-21c） 式（3-21d） 式（3-21e） 式（3-21f） 式（3-21j） 式（3-21h）界面上的流量、扩散阻力的导数（记为D）的计算式为： 式（3-21i） 式（3-21g） 式（3-21k） 式（3-21l） 式（3-21m） 式（3-21n）3.5高Re数的k一两方程模型3.5.1湍流运动与传热的数值模拟方法目前,在湍流运动与传热的数值模拟中,经常采用的数值计算方法大致有三种：a直接模拟 直接模拟是用三维非稳态的Navier一Stokes方程对湍流进行直接数值模拟计算。要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长,才能分辨出湍流中详细的空间结构及剧烈的时间特性。其对计算机的内存和计算速度要求非常高，目前根本无法将这一方祛用于实际的工程计算中,只有少数能使用超级计算机的研究者才能从事这一类计算。b. 大涡模拟 按照湍流的旋涡学说,湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大尺度的涡从主流中获取能量，它们是高度的非各向同性,而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡，小尺度涡的主要作用是耗散能量,它们几乎是各向同性的,而且不同程度的小尺度涡有许多共性。关于涡的影响通过近似的模型来考虑，这种模式称为亚格子Reynolds应力。大多数亚格Reynolds应力应力模型都是在涡粘性基础上，即把湍流脉动所造成的影响用一个湍流粘性系数，即涡粘性来描述。大涡模拟方法对计算机的内存和计算速度的要求仍比较高，但远下氏于直接模拟方法对计算机资源的要求，在工作站或PC机上都可以进行运算，因此近年来对大涡模拟方法的研究日趋广泛。C应用Reynolds时均方程的模拟方法 在Reynolds时均方程的模拟方法里，将非稳态控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程的个数就小于未知数的个数。而且不可能依靠进一步的时均处理而使控控制方程程组封闭。要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型,这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的计算中可以确定的量的函数。在Reynolds时均方程中，又有Reynolds应力方程法和湍流粘性系数法两大类。湍流粘性系数法是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的方法，目前流行的商用CFD软件的湍流模拟均是采用的湍流粘性系数法。3.5.2 k-两方程模型a耗散率的定义 湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率，即各项同性的小尺度涡的机械能转化为热能的速率定义为: 式（3-22）式中为湍流的分子粘性，重复的下表代表求和。在由三维非稳态Navier-Stokes方程出发推导出的方程的过程中，需要对推导过程中出现的复杂项作简单处理，引入下面关于的模拟定义式： 式（3-23）式中为经验常数。这一模拟定义式的得出这样理解：从较大的涡向较小的涡传递能量的速率对单位体积的流体正比于，而反比于传递时间。传递时间与湍流长度标尺l成正比，而与脉动速度成反比。于是 式（3-24）bk一控制模型 建立k的偏微分方程可以从k的定义（）出发，通过对瞬态Navier-Stokes方程及其时均形式做一系列的运算而得出。这样得出的方程中又引入了新的变量，为了使方程封闭，必须对这些项作近似处理，以把他们表示成其它时均变量的函数。经简化处理后，可得k方程的最终形式如下： 式（3-25）方程为 式（3-26） 上式中的为湍流粘性系数，其计算式如下： 式（3-27）采用k一模型来求解湍流对流换热问题时，控制方程包括质量方程、动量方程、能量方程和k、方程及上式。在这些方程中引入了三个系数（、 ）和三个常数（、）,这些参数的值列在下表3.1中。表3.1 三个系数和三个常数的参数值1.441.920.091.01.30.9-1.03.6代数方程组的求解数值模拟最后一步是对湍流问题中控制方程离散后形成的代数方程组求解。代数方程组的求解有两种解法，一是直接解法，二是迭代法。a直接解法 直接解法是指运用有限步的数值计算获得代数方程组真解。在应变力和弹性应力的线性问题中常常应用以高斯消去法为代表的直接解法，对于非线性湍流问题的方程组，应用直接解法不经济。此法只适用于未知数求解个数极少的情况。通过直接解法求解节点数很多的代数方程时很费时。所以，在实际工程中应用很少应用直接接法。b迭代法 常常采用迭代法求解大型稀疏线性方程组。迭代法进行求解的基本方法是把方程组的求解转换为构造一个无穷简单的方程，具有需要计算机存储空间小的的优点，因此常用迭代法对大规模方程组进行计算。 4水电站工程概况4.1水电站的组成工程主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂房等。地下厂房内安装8台单机容量为205MVA的水斗式水轮发电机组及其附属设备。地下主变洞内安装25台容量为68.3MVA的单相变压器（备用1台）。电站采用计算机监控系统。该电站建成后将是全球装机台数最多、水头最高、总容量最大的冲击式电站。该水电站由地下主厂房、主变洞、母线洞和对外通道施工洞等组成，其关系的透视图如下图4.1所示，主厂房根据功能需要共分为发电机层、中间层、水轮机层和球阀设备层。图4.1 水电站地下厂房整体示意图4.2 该水电站所在地区的自然环境日平均温度： 25极端最低温度： 15极端最高温度： 35年平均相对湿度： 90 %位于厄瓜多尔首都处的CCS水电站位于赤道线上，属热带雨林性气候，全年高温、高湿，年平均相对湿度不小于90%，从上面几组数据也可以看出，最低温度都已经达15，而最高达35，这是国内从来不会遇到过的状况，因此如何解决并应对高温、高湿环境对电站设备及控制系统的安全运行这一挑战是本专业所必须面对的课题，对进入厂内室外新鲜空气的控制成为关键问题的症结。针对这一问题，收集了地下厂房通风空调的大量基础数据，并比较研究了多个方案后，该水电站提出了新的解决办法，白天厂房内的热负荷及湿负荷通过空气处理机组消除，并且采用加大循环风量来提高舒适度。同时，通过对该地收集近2年的每天天气预报资料数据中可以看出，每天都有10多个小时的时间气温低于22，采用通风运行方案既经济节能而且也合理可行。设计采用空调送风与全通风2种运行工况，白天空调送风，夜间全通风工况运行。4.3水电站建成后主厂房温度及相对湿度空调通风系统设计完成后，为了确保厂房内设备的安全运行和人员舒适，对厂房内各个场所的温湿度进行了控制。地下主厂房内各场所的温湿度设计标准如下表4.1所示，表4.1 厂房室内各场所夏季设计温湿度厂房区域温度湿度发电机层2665%母线层2870%水轮机层2870%球阀廊道层2870%GIS 室2880%主变室31不规定4.4水电站通风气流组织设计在设计水电站通风气流组织的同时，要考虑各种各样的因素，所以应遵循以下几点设计原则：1）通风空调系统方案及设备选择应遵循经济合理、节约能源、安全可行的原则；2）地下厂房通风系统应优先考虑机械通风的运行方式，通风不能满足排除余热要求时采用空调+新风运行方式；3）单独设置事故排烟系统；4）在通风管网中相邻房间具有防火分区要求时，设置防火设备及采用防火措施；5）对进入厂房的室外空气为保证其清洁度，在条件允许情况下，尽量设置空气过滤装置。在考虑设计原则的条件下，针对本水电站地理位置的气候条件和厂房的需求，进行了主厂房的气流组织设计。由于此水电站的特殊性，通风空调设计已由相关设计单位完成，现对其设计加以描述。1）由于工程所在地位于赤道线上属热带雨林性气候，全年高温、高湿，年平均相对湿度不小于90%。在对地下厂房通风空调大量基础数据的收集比较研究及多个方案的技术论证后，对地下主厂通过采用空调送风的方式对地下主厂房进行送风，厂内热负荷和湿负荷通过位于水轮机层的空气处理机组来处理，以满足温湿度指标要求，同时采用来自于球阀廊道层的循环风通过加大循环风量提高舒适度。对温湿度要求低的主变洞采用全通风方式。母线洞既有通风系统又有空调系统，泵房、制冷机房等采用的是全通风运行工况，母线层和水轮机层的大空间为了确保机电设备的安全运行，均采用的是吊顶式空调系统，气流组织为上送下排。2）地下主厂房拱顶层为正常通风时排除厂内有害气体的通道及事故时的排烟排风通道；对外进排风通道共有三条：一条是洞长约495m的进厂交通洞，其二是洞长约530m的高压电缆出线洞，以及位于地下主厂房右端的长约500m的地质探洞，该探洞分别连接主厂房和主变洞，并用作主厂房和主变洞的部分排风排烟通道。4.5水电站厂房冷负荷的计算地下厂房的主要冷负荷集中在室内热源形成的冷负荷。室内热源包括设备散热、照明散热、人体散热及墙体传热量等。设备散热和照明散热在水力发电厂厂房的散热量中占主导地位，是本设计中考虑的主要因素。而由于水电站发电机层的气流组织研究的是传热稳定情况下的，所以对墙体进行了绝热处理，因此厂房壁面温度与厂房室内温度相差不大，凝结问题可以避免，故不考虑壁面传热量。在对各层散热量进行计算后最终计算出其冷负荷的数值。下表4.2为各层冷负荷数值表。表4.2 厂房各个区域的发热量汇总表区域名称冷负荷（kW）区域名称冷负荷（kW）发电机层154.2GIS 室78母线层511.8高压电缆洞60水轮机层157继保室404主变洞645.6母线洞4044.6各系统通风量及空调量的计算本设计中，主变洞采用全通风方式，主厂房及母线洞采用部分新风加空调的方式，来满足温度指标的要求；湿度指标采用对新风预处理的方案，然后再送入发电机层。根据以下公式计算排除室内余热所需的风量，即通风量31。 （式4-1）式中；空气的密度，kg/m3；温度差，；空气的比热容, kJ/kg·；发热量，Kw；风量,m3/h。根据以下公式计算确定空调的风量31。 （式4-2）式中：送风量,m3/h；室内冷负荷，Kw；室内空气的焓值，kJ/kg；送风状态下空气的焓值，kJ/kg；空气的密度，kg/m3。根据以上通风量和空调风量的计算公式得出了主厂房各通风系统和空调系统的风量，现列表如下4.3和4.4。表4.3 各通风系统风量汇总表系统名称风量（m3/h）风机型号风机风量（m3/h）风机压头(Pa)母线洞通风系统22991212299149主变洞14#机组段通风系统131291223690163主变洞14#机组段通风系统243041235390164球阀廊道层到发电机层通风系统31141263114138制冷机房通风系统40001274000123泵房通风系统40001274000123除湿机通风系统30000117150004501#导风支洞和高压电缆廊道排风系统93684118535301100电缆廊道和高压电缆洞排风系统114998119592008862#导风支洞排风系统936841185353011003#导风支洞排风系统34298115334051159表4.4 各空调系统风量汇总表系统名称负荷(kW)风量（m3/h）所选风机型号风机额定风量（m3/h）母线洞空调系统50.51012713310000母线层5-8#空调系统（8#机组段）80.151973613525000母线层5-8#空调系统（67#机组段）80.151973613525000母线层5-8#空调系统（5#机组段）80.151973613525000母线层0.22KV 配电室、继保室空调系统59.81199213112000母线层0.48KV 配电室、13.8KV 配电室空调系统68.71377613414000水轮机层5-8#机组空调系统（5#、8#机组段）78.565591328000水轮机层5-8#机组空调系统（67#机组段）78.565591328000发电机层5-8#机组空调系统（78#机组段、67#机组段、56#机组段）77.146321306000发电机层5-8#机组空调系统（8#机组段）77.146321306000由上面的表4.3和4.4可知， 1）空调送风情况下，地下厂房通过水轮机层的空调机组向发电机层送的空调风风量为46321 m3/h，选择吊顶式空气处理机组10台；空气处理参数为，L=6000m3/h，H=255Pa，N=0.8kW，冷量25kW，设备布置在水轮机层，通过夹墙风道送至发电机层，平射送风：新风除湿机采用可调温型电制冷压缩机，负荷不需要由水冷系统供给，只负责发电机层的湿度控制，全厂设计总新风量30000m3/h，冷负荷量200kW，直接送到发电机层安装间，与安装间下层风混合后分散到发电机两边。2）全通风工况下，来自球阀廊道层的通风量总工为56052 m3/h，选择18台风机，风机的参数为，风量L=3114m3/h，压头为138 Pa，布置在球阀廊道层，通过夹墙风道送入发电机层。