發(fā)布時間：2017-08-02 01:11

  本文關(guān)鍵詞：地下水電站廠房氣流組織CFD數(shù)值模擬方法研究

  更多相關(guān)文章： 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

【摘要】：近年來,在我國實(shí)施西部大開發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的背景下,水電站建設(shè)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(qiáng)、自然換氣不充分,廠房內(nèi)容易出現(xiàn)悶熱、潮濕、空氣品質(zhì)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(yùn)行安全至關(guān)重要。根據(jù)國內(nèi)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(yàn)、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(shí)際條件約束、能夠保證洞室間關(guān)聯(lián)性、結(jié)果更加直觀等優(yōu)點(diǎn),在地下水電站廠房氣流組織研究領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。值得注意的是,受基礎(chǔ)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(guān)于計算精度、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、熱源模型建立和湍流模型的參數(shù)設(shè)置等方面,存在著一些迫切需要解決的技術(shù)問題,值得進(jìn)一步研究。本文是國家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目(51178482)“深埋地下水電站熱濕環(huán)境形成機(jī)理與節(jié)能調(diào)控”的研究內(nèi)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(xué)物理模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置過程中一些模擬方法進(jìn)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(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的對比、驗(yàn)證分析,發(fā)現(xiàn)采用兩種研究手段所得到的結(jié)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(jié)論如下:①運(yùn)用等體積法將地下主廠房中上部非規(guī)則的圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡化設(shè)置為規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)模型,并對簡化前后的廠房氣流組織效果進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在兩種結(jié)構(gòu)模型中,模擬得到的廠房內(nèi)部溫度場、速度場分布規(guī)律基本相同,兩者誤差在5%以內(nèi);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(yùn)算量,地下水電站廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)簡化設(shè)置為規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)模型。②將發(fā)熱設(shè)備分別設(shè)置為發(fā)熱均勻的體熱源與面熱源,并對兩種熱源設(shè)置條件下的廠房氣流組織效果進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在兩種熱源設(shè)置條件下,模擬得到的廠房內(nèi)部溫度場、速度場分布規(guī)律基本相同,其誤差均在5%以內(nèi)。從而說明,為了便于收斂、邊界條件設(shè)置和網(wǎng)格劃分,發(fā)熱設(shè)備可以設(shè)置為發(fā)熱均勻的面熱源。③對將照明設(shè)備設(shè)置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源的模型與按照照明設(shè)備實(shí)際尺寸建立的模型進(jìn)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(nèi)。為了使模型更容易收斂,宜將照明設(shè)備設(shè)置為屋頂面發(fā)熱均勻的面熱源。④分別采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格進(jìn)行了地下水電站廠房進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,當(dāng)混合網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為120000個和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格單元數(shù)量為200000個時,兩者的模擬結(jié)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(jìn)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(shè)備的換熱方式是否應(yīng)該考慮輻射換熱進(jìn)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(shè)備的輻射換熱不能夠被忽略,發(fā)熱設(shè)備換熱方式應(yīng)該是由對流換熱和輻射換熱兩種方式組成復(fù)合換熱才更加合理。⑥通過對地下水電站的送風(fēng)管道進(jìn)行對比模擬分析,說明了用經(jīng)驗(yàn)公式計算地下水電站中的送風(fēng)口的湍動能值和耗散率值將會產(chǎn)生誤差。將送風(fēng)管道對比模擬的結(jié)果作為送風(fēng)口的邊界條件,對地下水電站的廠房內(nèi)速度場、溫度場進(jìn)行對比模擬分析,說明了經(jīng)驗(yàn)公式產(chǎn)生的誤差不會對廠房內(nèi)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(guān)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(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(nèi)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(diào)領(lǐng)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(nèi)容和方法19-22
• 2 數(shù)學(xué)理論及求解方法22-32
• 2.1 控制方程22-23
• 2.1.0 質(zhì)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(jìn)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(jié)30-32
• 3 物理模型建立32-54
• 3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)置33
• 3.1.3 模擬結(jié)果分析33-37
• 3.1.4 小結(jié)37
• 3.2 發(fā)熱設(shè)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(shè)置38-39
• 3.2.3 模擬結(jié)果分析39-41
• 3.2.4 小結(jié)41-42
• 3.3 照明設(shè)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(shè)置43-44
• 3.3.3 模擬結(jié)果分析44-47
• 3.3.4 小結(jié)47-48
• 3.4 網(wǎng)格劃分48-52
• 3.4.1 網(wǎng)格無關(guān)性48
• 3.4.2 對比模型建立48-50
• 3.4.3 邊界條件設(shè)置50
• 3.4.4 對比工況安排50
• 3.4.5 模擬結(jié)果分析50-51
• 3.4.6 小結(jié)51-52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 4 邊界條件設(shè)置54-72
• 4.1 發(fā)熱設(shè)備邊界條件設(shè)置54-62
• 4.1.1 對比模型建立54
• 4.1.2 材料屬性設(shè)置54
• 4.1.3 邊界條件設(shè)置54-55
• 4.1.4 模擬結(jié)果分析55-61
• 4.1.5 小結(jié)61-62
• 4.2 送風(fēng)口邊界條件設(shè)置62-70
• 4.2.1 送風(fēng)管道對比模型建立62-63
• 4.2.2 邊界條件設(shè)置63
• 4.2.3 模擬結(jié)果分析63-67
• 4.2.4 發(fā)電機(jī)層廠房對比模型建立67
• 4.2.5 邊界條件設(shè)置67
• 4.2.6 模擬結(jié)果分析67-69
• 4.2.7 小結(jié)69-70
• 4.3 本章小結(jié)70-72
• 5 相似模型試驗(yàn)驗(yàn)證72-88
• 5.1 白鶴灘水電站工程概況72-74
• 5.2 模型試驗(yàn)臺設(shè)計74-79
• 5.2.1 相似比例尺確定74
• 5.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)制作74-75
• 5.2.3 熱源制作75-77
• 5.2.4 送排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計77-78
• 5.2.5 測點(diǎn)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(shè)置81
• 5.4 CFD數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對比分析81-87
• 5.5 本章小結(jié)87-88
• 6 結(jié)論與建議88-90
• 6.1 研究結(jié)論88-89
• 6.2 后續(xù)研究建議89-90
• 致謝90-92
• 參考文獻(xiàn)92-96
• 附錄96-105
• A. CFD數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置表96-97
• B. 循環(huán)風(fēng)口UDF程序97-105

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3 嵇峗U

本文編號：606993