發(fā)布時間：2017-08-02 01:11

  本文關鍵詞：地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬方法研究

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【摘要】：近年來,在我國實施西部大開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的背景下,水電站建設在我國得到了蓬勃發(fā)展。地下水電站由于埋深大、封閉性強、自然換氣不充分,廠房內容易出現(xiàn)悶熱、潮濕、空氣品質差等現(xiàn)象。因此合理的氣流組織對保障地下水電站的生存環(huán)境和運行安全至關重要。根據(jù)國內外已經(jīng)發(fā)表的研究成果,對地下水電站廠房氣流組織的研究方法主要有:相似模型試驗、區(qū)域模型、CFD數(shù)值模擬。其中CFD數(shù)值模擬由于具有不受實際條件約束、能夠保證洞室間關聯(lián)性、結果更加直觀等優(yōu)點,在地下水電站廠房氣流組織研究領域得到日益廣泛的應用。值得注意的是,受基礎理論與計算手段的限制,地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值中關于計算精度、網(wǎng)格結構、熱源模型建立和湍流模型的參數(shù)設置等方面,存在著一些迫切需要解決的技術問題,值得進一步研究。本文是國家自然科學基金資助面上項目(51178482)“深埋地下水電站熱濕環(huán)境形成機理與節(jié)能調控”的研究內容之一。論文以白鶴灘水電站為研究對象,采用FLUENT軟件對地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬的數(shù)學物理模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設置過程中一些模擬方法進行了對比分析、討論,得出了適宜于地下水電站廠房氣流組織的CFD數(shù)值模擬方法;通過相同工況下相似模型試驗與CFD數(shù)值模擬結果的對比、驗證分析,發(fā)現(xiàn)采用兩種研究手段所得到的結論基本吻合的,從而說明論文得出的地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬方法是正確的、可靠的。論文研究成果及提出的數(shù)值模擬方法,可以為今后地下水電站廠房的氣流組織CFD數(shù)值模擬提供一定的參考與借鑒。論文具體研究工作及得到的主要結論如下:①運用等體積法將地下主廠房中上部非規(guī)則的圍護結構簡化設置為規(guī)則的幾何結構模型,并對簡化前后的廠房氣流組織效果進行了數(shù)值模擬對比分析,結果發(fā)現(xiàn):在兩種結構模型中,模擬得到的廠房內部溫度場、速度場分布規(guī)律基本相同,兩者誤差在5%以內;從而說明,為了降低建模工作量和網(wǎng)格劃分難度、減小模擬運算量,地下水電站廠房圍護結構物理模型可以按照等體積法將主廠房中上部非規(guī)則圍護結構簡化設置為規(guī)則幾何結構模型。②將發(fā)熱設備分別設置為發(fā)熱均勻的體熱源與面熱源,并對兩種熱源設置條件下的廠房氣流組織效果進行了數(shù)值模擬對比分析,結果發(fā)現(xiàn):在兩種熱源設置條件下,模擬得到的廠房內部溫度場、速度場分布規(guī)律基本相同,其誤差均在5%以內。從而說明,為了便于收斂、邊界條件設置和網(wǎng)格劃分,發(fā)熱設備可以設置為發(fā)熱均勻的面熱源。③對將照明設備設置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源的模型與按照照明設備實際尺寸建立的模型進行了對比模擬分析,兩個模型的溫度場和速度場分布規(guī)律相同,數(shù)據(jù)誤差在5%以內。為了使模型更容易收斂,宜將照明設備設置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源。④分別采用非結構網(wǎng)格和混合網(wǎng)格進行了地下水電站廠房進行了網(wǎng)格劃分,當混合網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為120000個和非結構網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為200000個時,兩者的模擬結果與理論計算值的相對誤差為1.64%。從而說明,為了降低了網(wǎng)格單元的數(shù)量,節(jié)約計算時間,對地下水電站廠房進行網(wǎng)格劃分時宜采用混合網(wǎng)格。⑤對地下水電站廠房中的發(fā)熱設備的換熱方式是否應該考慮輻射換熱進行了對比模擬分析,通過對速度場、溫度場和數(shù)據(jù)三個方面的對比分析,說明了在對地下水電站氣流組織的數(shù)值模擬中發(fā)熱設備的輻射換熱不能夠被忽略,發(fā)熱設備換熱方式應該是由對流換熱和輻射換熱兩種方式組成復合換熱才更加合理。⑥通過對地下水電站的送風管道進行對比模擬分析,說明了用經(jīng)驗公式計算地下水電站中的送風口的湍動能值和耗散率值將會產生誤差。將送風管道對比模擬的結果作為送風口的邊界條件,對地下水電站的廠房內速度場、溫度場進行對比模擬分析,說明了經(jīng)驗公式產生的誤差不會對廠房內的速度場和溫度場造成明顯的影響,能夠滿足工程精度要求。
【關鍵詞】：地下水電站 氣流組織 數(shù)值模擬 物理模型 邊界條件 網(wǎng)格劃分
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TV735
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-22
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 國內外水電站發(fā)展概況10-12
• 1.1.2 地下水電站的發(fā)展概況12-13
• 1.1.3 地下水電站廠房熱濕環(huán)境特性13-14
• 1.2 地下水電站廠房氣流組織的研究現(xiàn)狀14-19
• 1.2.1 地下水電站廠房氣流組織的研究方法14-15
• 1.2.2 CFD在暖通空調領域的研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.3 CFD數(shù)值模擬存在的問題18-19
• 1.3 研究內容和方法19-22
• 2 數(shù)學理論及求解方法22-32
• 2.1 控制方程22-23
• 2.1.0 質量守恒方程22
• 2.1.1 動量守恒方程22
• 2.1.2 能量守恒方程22-23
• 2.1.3 通用控制方程23
• 2.2 湍流模型23-25
• 2.2.1 湍流數(shù)值模擬方法23-24
• 2.2.2 RNG~（ k -ε）模型24-25
• 2.2.3 壁面函數(shù)法25
• 2.3 輻射模型25-27
• 2.3.1 輻射傳熱方程25-26
• 2.3.2 DO輻射模型26-27
• 2.4 邊界條件27-28
• 2.4.1 固體壁面邊界條件27-28
• 2.4.2 進口邊界條件28
• 2.4.3 出口邊界條件28
• 2.5 數(shù)值解法28-30
• 2.5.1 離散化28-29
• 2.5.2 算法29-30
• 2.6 本章小結30-32
• 3 物理模型建立32-54
• 3.1 圍護結構物理模型建立32-37
• 3.1.1 對比模型建立32-33
• 3.1.2 邊界條件設置33
• 3.1.3 模擬結果分析33-37
• 3.1.4 小結37
• 3.2 發(fā)熱設備物理模型建立37-42
• 3.2.1 對比模型建立37-38
• 3.2.2 邊界條件設置38-39
• 3.2.3 模擬結果分析39-41
• 3.2.4 小結41-42
• 3.3 照明設備物理模型建立42-48
• 3.3.1 對比模型建立42-43
• 3.3.2 邊界條件設置43-44
• 3.3.3 模擬結果分析44-47
• 3.3.4 小結47-48
• 3.4 網(wǎng)格劃分48-52
• 3.4.1 網(wǎng)格無關性48
• 3.4.2 對比模型建立48-50
• 3.4.3 邊界條件設置50
• 3.4.4 對比工況安排50
• 3.4.5 模擬結果分析50-51
• 3.4.6 小結51-52
• 3.5 本章小結52-54
• 4 邊界條件設置54-72
• 4.1 發(fā)熱設備邊界條件設置54-62
• 4.1.1 對比模型建立54
• 4.1.2 材料屬性設置54
• 4.1.3 邊界條件設置54-55
• 4.1.4 模擬結果分析55-61
• 4.1.5 小結61-62
• 4.2 送風口邊界條件設置62-70
• 4.2.1 送風管道對比模型建立62-63
• 4.2.2 邊界條件設置63
• 4.2.3 模擬結果分析63-67
• 4.2.4 發(fā)電機層廠房對比模型建立67
• 4.2.5 邊界條件設置67
• 4.2.6 模擬結果分析67-69
• 4.2.7 小結69-70
• 4.3 本章小結70-72
• 5 相似模型試驗驗證72-88
• 5.1 白鶴灘水電站工程概況72-74
• 5.2 模型試驗臺設計74-79
• 5.2.1 相似比例尺確定74
• 5.2.2 圍護結構制作74-75
• 5.2.3 熱源制作75-77
• 5.2.4 送排風系統(tǒng)設計77-78
• 5.2.5 測點布置78-79
• 5.3 CFD數(shù)值模擬79-81
• 5.3.1 物理模型建立79-80
• 5.3.2 網(wǎng)格劃分80-81
• 5.3.3 邊界條件設置81
• 5.4 CFD數(shù)值模擬與模型試驗結果對比分析81-87
• 5.5 本章小結87-88
• 6 結論與建議88-90
• 6.1 研究結論88-89
• 6.2 后續(xù)研究建議89-90
• 致謝90-92
• 參考文獻92-96
• 附錄96-105
• A. CFD數(shù)值模擬參數(shù)設置表96-97
• B. 循環(huán)風口UDF程序97-105

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3 嵇峗U

本文編號：606993