地下大空间通风系统的数值模拟与对比研究

收稿日期：2020-10-14
作者简介：李斯文（1984-），男，助理工程师，研究方向：制冷空调节能技术。

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地下大空间通风系统的数值模拟与对比研究
李斯文，邓阳兵，周宇文，苟盼，王寿川
（合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230071）
[] 摘要对地下大空间通风系统的空气组织研究对于改善其内部热湿控制、保障人员健康都具有重要意义。

在参考大量相关文献的基础上，选取一典型地下水电站主厂房发电机层为研究对象，并对其气流组织进行了模拟研究。

最终得出整个发电机层各区域送风温度和速度规律，对结果分析后，认为负压风口对热湿调节的均匀性有重要影响，针对此提出了改进CFD数值计算质量的措施，并做了部分模拟验证与对比。

研究案例对地下空间的通风系统的模拟研究具有重要参考价值。

[]关键词地下大空间；通风；空气调节；数值模拟；均匀性
[] 中图分类号TU831.8文献标志码A doi ：10.3969/J .ISSN. 1005-9180.2020.04.006
[] Numerical Simulation and Comparative Study on Ventilation System of
Underground Large Space
LI Siwen，DENG Yangbing，ZHOU Yuwen，GOU Pan，WANG Shouchuan
（Hefei General Machinery Research Institute Co .,Ltd ., Hefei, Anhui, 230071 China ）
Abstract: The research on ventilation system in large underground space has great significance in the control of air heat and humidity , and the heath of people . With referring a lot of related articles , the air distribution in generator floor of a particular underground hydro -power station is simulated . After analyzing the results , it is considered that the negative pressure zone has an important influence on the evenness of heat and humidity. In view of this , the improvement measures are proposed , and some simulation verification and comparison are made . The results have reference value in research on numerical simulation of air conditioning system in similar projects.
Key words: Underground Large Space；Ventilation；Air Conditioning；Numerical Simulation；Evenness
地下大空间指地下矿坑、地下水电站、地铁站、防空洞等空间横断面大，纵深大的地下围护结构。

此类厂房、洞室深埋地下，又受地下岩体热流和地下水渗流扩散影响，内部通风换热条件复杂，通风容易出现局部回流，导致温湿度调节的盲区。

以总负荷为标准确定的新风量难以满足实际需求，而设计中过多的考虑冷热裕量也会带来能源的浪费。

此外，空间内人员生活、生产活动密集，而地下配套电气设备对湿热控制要求相对较高，研究其空气流动换热对改善通风效果、保障人员健康乃至
文章编号：ISSN1005 - 9180 (2020) 04 - 0034 - 06
1.11.1.1
［1］［2］促进节能环保均有重要意义。

目前对地下大空间气流的组织研究，主要手段有：实验法、物理模型实验、数学模型模拟计算以及两者之间相结合的方法。

以电脑硬件为依托的CFD技术尚未取得突破之前，以示踪元素或气体为工具的“空气龄”测定法一度是检验大空间气流组织情况的重要手段。

至今，元素示踪法依然是地下大空间通风实［5］验研究的重要方法。

Widiatmojo等就利用示踪气体SF6侦测地下煤矿的通风死角，并结合数值模拟，对送风的分散特性进行了预测。

［6］Li等利用缩小化（1:20）的物理模型，模拟了HOHOOT地下水电站母线层的通风情况，通过不同位置和水力直径的送风口的组合来改变送风方案，并对比了各种方案在不同送风量和热负荷条件下的表现，实验中以阿基米德数取代了弗劳德数，以更好引入重力作用和浮力作用，使模型在更能真实反映大空间的气流组织情况。

考虑到地铁站、矿坑等对象的负荷的分散与瞬变特性，研究难度较大。

参考现有研究结果，选取一典型地下水电站发电机层为研究对象。

如图1所示，地下水电站的主厂房发电机层为岩层或混凝土所覆盖，其地理地质、设备运行及人员活动状况，及实际热源、冷源条件（岩体热流、地下水等），符合地下大空间典型特点。

1.1 控制方程
1 数学模型
基于水电站发电机层的维护结构与气流组织情况，考虑壁面换热、高大空间自然对流，对其通风系统建立数学模型与几何模型。

在此基础上，利用CFD数值模拟对发电机层的通风系统进行模拟研究，选取热湿控制的关键点进行实验对比，可验证学模型的适用性，并为相关工程提供案例参考。

1.1.1 流体控制方程流体的控制方程由质量守恒方程、连续性方程［7］（1）、能量方程（2）和N-S方程（3）组成，方程组同时确定了温度场：
数学模型是数值计算的基础，需要切合地下大空间气流的换热与对流实际情况。

地下水电站发电机层高达20余米，一般采用“顶送侧回”的强制对流的通风形式，而发电机组由于距离送风口较远，外罩散热引发的浮升力也促成了自然对流。

综上，发电机层气流组织应属于强制对流和自然对流的组合。

因此，通过选择适当的湍流模型、重力模型和能量方程，建立数学模型以合理描述厂房内气流状态及热源条件，对于提高数值计算精度，减少计算负担都有重要意义。

此外，如图2所示，发电机层热源集中、稳定，基本限于发电机罩和机柜散热及维护结构的热湿交换，通风系统的气流组织也较为规律，是
非常理想的研究对象。

图1 地下水电站结构简图
图2 主厂房发电机层图
第4期(第39卷总153期)
35
d d d d d d
1.1.21.2
2.12.21.1.2 岩石与气流换热方程
式中，ρ为空气密度，t 为温度，u 为速度矢量，e 为焓值，T 代表温度场，P 代表压力，μ为局部动力粘度，u 为速度，f 为质量相关的场作用力，x 为坐标，下标i 、j 为坐标编号。

［9］
张泠等通过控制气流速度，在恒温差条件下，通过测定墙体表面热流，统计归纳得出了墙体表面换热与空气速度的关系式。

本文参考得出墙体表面换热系数hc由式（4）计算：
本文采用RNG k-ε双方程模型模拟发电机层通风气流流态,它的湍流动能k和湍流动能耗散率ε的运输方程分别为：
式中， ，
G 表示由平均速度梯度产生的湍流动能，G 表示由k b 浮升力产生的湍流动能，R 为附加生成项，可以看作流体拉伸率的一个指标。

C = 1.42 ，C = 1.68 。

ε1ε22 几何模型与数值计算
地下水电站厂房维护结构较为规整，本文在保留重要散热设备、送风口、回风口、楼梯口、隧道口的相对位置、朝向与几何尺寸的前提下，对厂房内部分结构进行了简化。

1.2 湍流模型
式中， 为壁面处气流速度的绝对值。

预测大空间气流组织常用的湍流模型多为双方程模型。

其中，标准k-ε模型虽然应用广泛，收敛速度较快，对等温流动模拟较好,但对非等温、混合对流的情形却有较大误差；RNG k-ε湍流模型在预测近壁流动和低雷诺数流动时，精度和效率上都有不错的表现。

2.1 几何模型
厂房为柱室上部覆盖穹顶的结构，在本次计算中，顶部穹顶被简化为圆弧面，内部装潢、照明灯及桁架等结构被简化。

如下图3所示，主厂房工作面地面横向跨度26.8m，纵向跨度逾350m。

厂房近端与远端分别为副安装间段及主安装间段，中间区域内共均布有9个发电机组（由近及远，命名1#-9#），顶部送风风管分左右2路，每路各布有43个送风口，送风总管铺设方向与厂房纵深方向一致。

左右两侧立面墙上各布有30和33个格栅回风口。

2.2 网格划分与边界条件
在主厂房三维模型确定后，为保证边界层的处理精度，网格处理上对热源如墙体和机组表面进行了细致划分。

网格划分采用了非结构的四面体网格和六面体网格相结合的方式，如图4所示。

各拱顶送风口采用速度进口（velocity-inle
t），速度及温度采用实测值。

各送风口实测数据如图5所示。

速度沿厂房纵深方向由4.5m/s逐步减
图3 主厂房发电机层剖面图
图4 主厂房网格划分（局部）
2.3为进一步提高计算效率，计算模型作如下简化：（1）整个通道近壁面处采用标准壁面函数；（2）忽略外界大气压强的可变性，外界压强为设定为固定值；（3）发电机组外罩采用表面散热，表面热流虽随离地面高程变化，但差异较小，其值统一取平均值；发电机坑周边考虑保温材质，热流量小，处理与周边地面一致；（4）地下厂房拱顶及发电机层是在稳态的情况下运行，不考虑比热容可变性，其值统一取平均值；（5）山体围岩结构设定为等效墙体厚度和远端定温条件。

为验证数学模型及CFD工具在地下空间通风系统计算的适用性，本文对关键数据进行了实地测量，用以检验模拟计算的质量。

其余边界条件设置：拱顶排风口，采用出流条件（out-flow）；格栅风口，采用出流条件（out-flow）。

楼梯通道，采用出流条件（out-flow）。

墙壁边界，采用固壁边界（wall）。

进厂隧道边界条件：因隧道顶部采用大型轴流风机进行通风，取速度进口条件，风速为-0.2m/s 负数气流表示由厂房排出），温度为20℃。

2.3 求解
弱至2.2m/s；送风口温度逐步上升，由18.2℃上升至22.8℃。

对网格计算的过程中，采用的计算模型是选用基于压力求解器、隐式稳态求解（PISO）、改进的湍流双方程进行的三维单精度模型，并加入能量方程，默认为正常大气压下的计算环境，并考虑重力影响以提高计算精度。

3 结果对比与分析
3.1 整体数据
以发电机组轴心连线，距离机组外罩顶部
0.1m，截取模拟结果的厂房纵向温度曲线，如图7所示。

为验证计算准确性，现场每隔5m对各点数据进行了实地测量。

可以看到模拟结果与实测数据走向一致，在中部区域，模拟值与实测值符合良好，各机组正上方温度计算误差在0.2℃以内。

这说明，CFD数值计算在整体厂房尺度内有较好的准确度。

以机组轴心连线为基准，截取厂房立面温度分布图，如图6所示。

可以看到机组罩附近及顶部正上方温度最高，超过33℃，随着高度上升空气温度降低，符合自然对流下平板散热的温度分布趋势。

送风口正下方，冷空气在进入厂房内部后，与机组上空的热空气换热，冷空气流被“削弱”，形成了狭长的冷空气带，与送风口出风“射流”的特征相符。

从图6可知，本文的CFD模型在高大空间内，自然对流和强制对流情况耦合
下，描述气流具有适用性。

图5 各顶部送风口中心风速及温度实测值
1 收敛参数要求
图6 厂房纵深立面温度分布图（局部）
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3.33.2 回风口数据
4 结论
但是，在近端和远端，也就是副安装间段及主安装间段，模拟值与实测值具有明显误差。

副安装间最大误差约0.8℃，而主安装间，则偏差较大。

最大偏差在厂房320m处，实测值为21.5℃，模拟值为24.1℃，误差为1.4℃。

综上可知，通过对隧道速度进口进行合理数学描述，改进边界条件，对提气流的风量分配计算的准确度，最终改进模拟质量具有重要作用。

厂房整体格栅回风口风速的计算结果，与实测值进行比较，如下图8所示，模拟值在整体趋势上与实测值符合较好，而在主厂房段22#至29#格栅回风口之间的部分，模拟值与实测值有较大偏差，误差达0.6m/s，实测值明显小于模拟值，意味着厂房从格栅回风口排出风量要明显小于模拟计算值。

分析可知，风量计算偏差是导致温度计算偏差的直接原因，应对主安装间段内风口的边界条件设置进行重点研究。

考虑到主厂房段内有楼梯间和交通隧道，异于其他部分的维护结构，可能影响了气流组织。

经实测，隧道截面风速存在垂直和径向方向上均有明显变化，顶部区域由于射流风机的引流作用，风速较大。

鉴于原网格处理中，隧道截面被简化为半圆形，对隧道进口风速拟合公式如下：
3.3 结果优化
由于厂房各空气入口边界条件，均为实测值，所以该偏差应该是出口边界条件或者换热条件（壁面换热条件、热源模型）设置偏差导致的。

而整体厂房温度曲线模拟质量较好，因此热源模型及边界条件的设置可取性较高。

为改善模拟质量，需要对数据进一步分析。

将式（7）编辑UDF导入隧道的速度进口边界条件，经过重新计算，收敛后，重新提取图7数据点原位置的对应数据，整理后，如图9所示。

对比发现，上游部分，即副安装间段略有改进，最大误差由0.8℃降为0.5℃。

而厂房260m至330m段内温度分布，即9#机组上下游与主安装间段内的空气温度计算值偏差明显缩小，误差在0.3℃范围内，数值计算质量明显改进。

式中，U 代表风速，负值表示气流由厂房排出；r 为距离圆心的径向距离；h 为距离地面高度；R 为隧道半径。

本文利用CFD软件对地下高大空间——地下水电站主厂房发电机层的通风系统进行了模拟与实测对比研究，结果证明：
1）发电机组等热源集中区域，模拟计算误差在0.2℃以内，CFD模拟计算结果较为准确的描述了地下大空间空气温度的分布规律。

2）通过分析厂房格栅回风口风速数据、对隧
图7
厂房整体温度分布1（机组上方0.1m）
图8 厂房格栅回风口风速
图9 厂房整体温度分布2（机组顶部0.1m）
U
道出风口边界条件重新进行数学描述并数值计算，主安装间段模拟误差由1.4℃降至0.3℃，副安装间段最大误差不超过0.5℃，整体温度分布的计算结果得到了明显改善。

综上，在模拟结果出现偏差时，应优先考虑改善各风口风量数据；与模拟研究区域相通的大尺寸的通风口、隧道等，需要与实测数据相结合，合理描述其边界条件，以提高计算精确度。

本文案例对相关工程的仿真计算具有较好的参考意义。

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