文章目录

摘要

abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

    1.2.1 国外研究现状

    1.2.2 国内研究现状

1.3 地下水电洞室环境影响因素及存在问题

    1.3.1 地下水电洞室环境影响因素

    1.3.2 地下水电洞室环境存在问题

1.4 课题研究方法及内容

2 地下电站洞室热湿传递模型建立

2.1 物理模型

    2.1.1 水电站通风廊道洞室物理模型

    2.1.2 水电站发电机层洞室物理模型

    2.1.3 水电站洞室厂房湿量来源

2.2 地下廊道热湿传递数学模型

2.3 不同形状地下廊道热湿传递模型对比

    2.3.1 地下廊道空气特性计算参数

    2.3.2 地下廊道实测基本参数

    2.3.3 不同形状地下廊道热湿传递模型对比

2.4 本章小结

3 地下通风廊道热湿传递效果实测分析

3.1 概述

3.2 现场测试

    3.2.1 测试内容及测试仪器

    3.2.2 测点布置

3.3 水电站地下廊道散热散湿计算

3.4 地下廊道测试结果及分析

    3.4.1 仙游抽水蓄能电站交通洞测试及数据分析

    3.4.2 大岗山电站交通洞测试及数据分析

    3.4.3 锦屏一级电站交通洞测试及数据分析

3.5 地下廊道热湿传递效果实测对比分析及验证

    3.5.1 热湿传递指标对比

    3.5.2 实测与理论模型对比

3.6 本章小结

4 地下廊道热湿传递特性影响因素分析

4.1 数值计算模型

4.2 边界条件参数设置

4.3 湍流模型选择及网格划分

    4.3.1 湍流模型选择

    4.3.2 网格划分

    4.3.3 模型的验证

4.4 热湿传递影响因素分析

    4.4.1 廊道截面尺寸

    4.4.2 入口气流速度

    4.4.3 入口空气湿度

    4.4.4 廊道壁面温度

    4.4.5 入口空气温度

    4.4.6 廊道进深长度

4.5 本章小结

5 地下水电洞室环境热湿分布规律研究

5.1 概述

5.2 发电机层热湿环境现场测试

    5.2.1 测点布置

    5.2.2 测试结果及分析

5.3 发电机层热湿环境数值模拟

    5.3.1 计算模型建立

    5.3.2 湍流模型的选择和验证

    5.3.3 边界条件

    5.3.4 网格划分和无关性验证

5.4 数值模拟结果及分析

    5.4.1 速度场

    5.4.2 温度场

    5.4.3 湿度场

5.5 气流组织评价指标及应用

5.6 本章小结

6 主要结论

致谢

参考文献

附录

文章摘要:随着城市化和城镇化进程不断加快,大力开发利用地下空间资源尤其是深部空间资源,是社会发展的必然趋势。地下洞室群中,如地下水电站、地铁或人防工程及国防工程中的热湿环境计算及控制问题是目前尚有待于进一步研究解决的问题。深埋地下洞室不同于地上建筑,不受阳光照射,受地形地貌、壁面渗透传湿等因素影响较大。深埋地下建筑的热湿环境对人员的工作效率乃至生命健康有重要影响,同时,潮湿的环境亦可能导致地下洞室机电设备线路短路,从而引发重大事故,造成生命及财产损失。研究地下洞室廊道围护结构的热湿传递特性及热湿环境控制方法、以及技术措施尤为重要。本文通过理论分析,数值模拟和现场实测对地下水电站洞室廊道围护结构热湿传递特性及热湿环境分布规律进行研究。主要内容如下:首先,本文基于水电工程地下廊道的结构形状特点,建立了一般性旋转曲面地下廊道与空气热湿传递方程,获得了地下廊道围护结构与空气之间的对流换热和传湿关系,提出了圆形廊道、拱形（马蹄形）廊道和矩形廊道围护结构热湿传递简化预测公式,并通过实测数据验证了其应用于工程计算的实用性。研究发现,等横截面面积下,矩形廊道比拱形廊道平均降温幅度提高0.25%,比圆形廊道平均降温幅度提高0.8%。等横截面周长下,矩形廊道比拱形廊道平均降温幅度提高0.51%,比圆形廊道平均降温幅度提高1.37%。三种形状廊道的当量直径相同时,热湿传递效果几乎没有差异。其次,通过对仙游抽水蓄能电站、大岗山电站、锦屏一级电站夏、冬典型季节工况地下廊道热湿效应现场测试,补充完善了地下廊道围护结构的热、湿物性边界条件,得到了各电站地下廊道内空气温湿度变化解析式。对比不同气候分区地下廊道通风温降（升）、散热量、散湿量指标发现,仙游电站和大岗山电站夏季工况下廊道具有降温冷却作用,交通洞对流入空气进行减湿,冬季工况下都有升温加热效果,但仙游电站对流入空气进行减湿处理,而大岗山电站对空气进行加湿处理。锦屏一级电站夏季交通洞的散湿量为0,冬季对空气进行冷却降温,空气处于加湿过程。得出影响地下廊道热湿变化特性因素主要包括:廊道结构尺寸（截面尺寸、廊道进深长度、廊道壁温）及流经空气物性参数（空气流速、温度、相对湿度）。此外,依据实测获得的热、湿物性边界条件,建立了预测地下廊道与空气热湿耦合传递数值计算模型,利用CFD（Computational Fluid Dynamics）对地下廊道进行全尺寸数值模拟,进一步对比分析廊道截面尺寸、壁面温度、进深深度及入口空气流速、温度、相对湿度等参数变化对地下廊道与空气热湿传递效果的具体影响。研究得出,在夏季相同的条件下,随着廊道横截面当量直径、壁面温度的升高,廊道对空气的降温加湿效果逐渐减弱。随着进风速度的增大,廊道对空气的降温效果逐渐减小,当入口送风速度v>2 m/s时,增大送风速度对廊道岩壁与空气的吸放热影响作用不明显。研究表明,在不同的当量直径和流速下,廊道存在一个有效长度提供的冷量最大。廊道入口空气温度越低,廊道进出口空气温（湿）差越小,廊道对空气的冷却效率越低。入口空气的相对湿度（含湿量）是影响廊道内结雾的主要因素。廊道内空气温湿度随着进深增加呈周期性变化,波动幅度随着廊道的进深逐渐减小。最后,本文以仙游电站地下洞室主厂房发电机层为例,通过现场实测与数值模拟,研究了不同送风速度和热源强度下地下高大空间洞室热湿环境分布规律,分析了不同送风方式对发电机层内速度场、温度场、湿度场的影响。基于工作区气流组织效果评价指标,提出了适用于仙游电站地下水电站高大空间顶送风方式的最优送风速度,为地下洞室复杂的气流通风及热湿环境优化设计提供依据。研究表明:从系统节能和大空间气流组织舒适性的角度出发,v=8 m/s是仙游电站风口射流速度的最优值。本文为水电行业暖通空调领域相关行业标准和通风空调设计提供了一定的理论参考和数值模拟设计工具。

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