摘要：通过数值模拟方法研究单进单出送风方式来的水电站空调系统，考虑热源散热的情况下改变送风的速度和温度，对室内气流温度、速度场以及热源内部分布的影响。研究结果表明，送风温度对室内气流组织效果影响不大，但对室内空气温度分布有较大的影响；送风速度对室内气流组织和温度分布影响均较大，因此适当调整进口送风速度是改善室内气流组织的有效手段。
关键词：地下水电站；数值模拟；气流组织；面热源
引言
近年来我国对水力资源的开发利用达到了空前绝后的程度，水电站数目在不断增多，已建成和在建的装机容量2.5万千瓦时以上的水电站有一百多座，其厂房形式多样，如为地面式厂房、地下式厂房和半地下式厂房等，其中地下式厂房由于具有施工和运行可不受气候条件影响、有利于保持地面自然景观[1]等优势，越来越多的水电站采用地下式厂房方案[1-4]。地下水电站从结构上来说是一个相对封闭的人造空间，厂房内的设备、产品及工作人员对室内空气品质都有要求。厂房内的热湿环境不仅影响着设备的运行，同时也影响着工作人员的工作效率及身体安全。因此，为了满足厂房内空气品质要求，可从地面上将室外空气进行适当的处理后输送到厂房内，并对处理效果进行研究分析[5，6]。地下水电站的通风对于地下发电厂的空气调节有着重要意义。
1 地下水电站厂房热工特性
地下水电站厂房与地上的建筑物不同，水电站地下厂房不受到外界环境，如太阳、风、雨雪等自然气候条件的直接影响。因此，影响地下水电站室内热环境的主要因素是内部因素，主要包括室内大型设备、设施的散热及工作人员的人体散热，同时地下厂房岩石外围结构的热力特性对水电站厂房的室内热环境也有一定的影响。由于地下土壤和岩壁有着很强的热容量和热稳定性，地下土壤温度全年的变化较小，所以在夏季土壤和岩壁吸收围护结构向外传的热量，而冬季则通过地下厂房维护结构向厂房内放热，因此地下厂房围护结构的冷热负荷与地面建筑相比较均要小。这也就是地下水电站冬暖夏凉的原因所在。地下厂房外围一层厚厚的岩体所具有的良好的热稳定性将有利于减少厂房通风与采暖的负荷[7]。
由于地下水电站厂房的热工特性及物理性质，其气流组织也具有特殊性：
1）地下水电站主厂房的高度、宽度往往在20米以上，长度可达200-300米，空间规模大，送风量及送风速度较大；
2）建筑物位于地面之下，因此不必考虑太阳辐射对地下厂房室内环境的影响，但地峡水电站的围护结构与土壤岩石直接接触，其传热特性对厂房内温度场分布有一定的影响；
3）地下电站室内热源状况比较复杂：包括发电机组盖板传热与漏风散热，励磁器、漏油泵、变压器、开关柜等附属设备散热以及顶部照明灯具散热等以及人员散热在计算时都应考虑进去。
4）由于地下电厂内机器设备和人员活动场所主要集中在底部工作区内（≤2m），因而对厂房内工作区温度场和速度场分布的研究显得尤为重要，对整个建筑空间内的非工作区的温度场和速度场的控制要求则可相对宽松。
地下水电站厂房的气流组织是由两种不同形式的通风形成的：一种是经过通风空调系统处理后送入室内，一种是由于室内存在热源对周围空气加热后密度发生变化，热气流上升，从而形成自下而上的热气流。这两种气流组织形式之间相互掺混，共同决定了房间空气循环的性质和室内热分布情况。因此，本文主要研究空调系统在地下水电站平稳运行期间的不同的进口温度和进口速度对地下水电站工作区的速度场和温度场进行数值模拟，进而寻求最佳的送风方案。
2 数值模拟
2.1 物理模型和边界条件
物理模型为单进单出顶棚送风方式的空调工作区域，厂房高度为10m，长度为40m，进风、出风口风道高为15m，进风口和出风口均为宽2m，热源为2m宽的正方形。
对本文的物理模型做以下的简化：
1）常温、低速、不可压缩的流体流动，可忽略由流体粘性力做功而产生的耗散热；
2）忽略热源与各壁面之间的辐射换热，忽略墙壁与外界的换热；
3）符合Boussinesq假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生作用；
4）模拟工况是工况已达到稳定状况时的情况，时均流速稳定的湍流。
5）本模拟主要考虑室内下部集中热源对空气流动的影响，忽略其他负荷为空间均布模式。
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2.2 数值模拟结果及分析
室内的温度和气流的分布情况与送风条件对室内的气流分布情况以及热源冷却情况有直接的影响。因此，对不同送风条件下室内气流的分布情况以温度分布情况进行模拟研究。所有壁面均定义为无滑移壁面边界，忽略辐射换热，忽略建筑墙壁及地面非热源部分的传热，即设为绝热。湍流模型采用k-ε模型，采用有限容积法进行控制方程离散，查分格式采用混合格式，求解算法采用SIMPLE算法。
（1） 速度场
地下水电厂由于空间大且设备放置及人员活动区域在靠近地面2m以内，因此，对于地下水电厂内的气流组织主要考察地面附近区域。
单进单出顶棚送风方式下，地下水电厂厂房内气流组织分布较均匀，在送风入口下方的气流速度较大，在工作区域的上方形成回流区且流速较大，在出口处流速出现最大值，而在工作区域内气流速度较小，各个工况下工作区域内气流速度均低于1m/s，且在热源背风区域形成回流区，工作区域内不会有强烈的吹风感。
随着送风口送风速度的增大，地下水电厂内气体流速也随之显著增大，而不同温度的送风方式对地下水电厂内气流组织分布的影响并不大，相同送风速度条件下不同送风温度的情况下水电厂内气流速度分布相差无几。因此，如需改善水电厂厂房内气流组织状况可以适当调整送风速度。
（2） 温度场
① 室内气流温度分布情况
地下水电厂由于散热设备及人员散热等主要热源均在近地面的工作区域内，因此，对于地下水电厂内的气流温度分布情况的分析主要在地面附近区域。
不同进风口状态参数下地下水电厂内单进单出顶棚送风方式下的厂房内空气温度分布有所不同，但是对于非工作区域的上部空间，温度分布相对比较均匀且温度偏低，接近进口送风温度，可以发现厂房内底部散热设备对上部空间空气温度影响很小。而厂房底部工作区域的温度变化较大，在大型散热设备周围出现局部温度相对较高的现象，但最高温度均不超过32摄氏度，且在整个厂房内横向跨度上温度梯度较大。
在进口的温度不变的情况下，随着风速的增加，室内工作区的温度有所下降，但温差并不大，工作区温度趋于相同温度。同时，在进口送风速度不变的情况下，进口风温的越高，对室内气体温度影响越强，且在热源背风区域温度较高。从厂房内速度等值线图可以发现，由于在热源背风区域存在回流，空气流速低，气流组织效果不佳，因此对于大型散热设备释放的热量并不能及时带走，因此在热源背风区域的温度相对较高。由此可见，厂房内气流组织极大地影响着厂房内空气温度分布。
3 结论
本文对地下水电站厂房内单进单出送风模式不同送风条件对厂房内气流组织及温度场进行数值模拟，具体结论如下：
（1）送风速度对厂房内气流组织影响较大而送风温度对速度场影响不大，若改善水电厂厂房内气流组织状况可以适当调整送风速度。
（2）厂房内气流组织极大地影响着温度分布。送风温度不变的情况下，随着风速的增加，室内工作区的温度有所下降，但温差并不大，工作区温度趋于相同温度；送风速度不变的情况下，进口风温的越高，对室内气体温度影响越强，且在热源背风区域温度较高。
参考文献：
[1]郭子嵩. 地下厂房在峡谷高坝水电站枢纽布置中的优势[J]. 水力发电.2000（9）：38-42.
[2]肖益民. 水电站地下洞室群自然通风网络模拟及应用研究[D]. 重庆大学，2005.
[3]张华玲. 水电站地下厂房热湿环境研究[D]. 重庆大学，2007.
[4]杨述仁，周文铎，王裕湘，等. 地下水电站厂房设计[M]. 北京：水利电力出版社，1993.
[5]Benguo H，Zhiqiang Z. Numerical Simulation of Stability for Underground Powerhouse Cavern Group of Jinping Hydropower Station[C]. Chengdu：2010.
[6]Song C，Li L. Numerical simulation of dynamical thermal environment in underground structures[C]. Wuhan：2010.
第一作者简介：方微微（1989-），女，浙江衢州人。
论文作者:方微微
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/20
标签：气流论文; 地下论文; 温度论文; 水电站论文; 热源论文; 厂房论文; 速度论文; 《电力设备》2018年第13期论文;