某典型電站通氣洞風速模擬計算

渠永通

中鐵二院工程集團有限責任公司

1 通氣洞概況

某電站的通氣洞主要與電站尾水閘門的開閘排水工藝有關(guān)，當電站機組運行尾水閘打開時，大量的尾水會涌入尾水調(diào)壓室，導致調(diào)壓室內(nèi)的空氣通過通氣洞被極速排出，如圖1 所示。

圖1 尾水調(diào)壓室主要組成和結(jié)構(gòu)

而與通氣洞直接相連的是電站通風兼安全洞，通風設(shè)計要求通氣洞產(chǎn)生的空氣流動盡可能地不對主廠房造成影響，應(yīng)由通風兼安全洞的風井排出，如圖2所示。為了準確得到尾水進入調(diào)壓室后，通氣洞內(nèi)的空氣流動狀態(tài)，以及其與通風兼安全洞連接處的壓力波動情況，需根據(jù)設(shè)計工況下調(diào)壓室內(nèi)的實際水流量進行理論分析計算，并以該分析結(jié)果為依據(jù)，判斷尾水閘打開時對主廠房通風的影響程度。

圖2 與尾調(diào)通氣洞直接相連的隧洞空間布置

經(jīng)測算，尾調(diào)通氣洞的幾何尺寸為：長度L0=350 m，斷面積44.3 m2，斷面直徑d=7.5 m，通風兼安全洞總長度約800 m，通往排風井和主廠房的長度分別約為L1=400 m 和L2=400 m，斷面尺寸與尾調(diào)洞接近。調(diào)壓室所在空間總長度340 m（1#和2#調(diào)壓室長度均為 155 m，中間預(yù)留巖梗柱長 30 m），空間寬度 22 m，調(diào)壓室內(nèi)的最高涌浪水位為978.90 m，最低涌浪水位為 942.95 m，高差約 36 m，對應(yīng)的水位浮動總空間為V=250994 m3，當調(diào)壓室為最高涌浪水位時，包括調(diào)壓室拱頂空間在內(nèi)的總空間為Vh=52909 m3，即當調(diào)壓室為最低涌浪水位時，調(diào)壓室內(nèi)空氣所能充滿的空間體積為V0=303903m3。

2 風速計算參數(shù)及條件

根據(jù)已知，選取水流量峰值持續(xù)時間最長的 D1工況作為計算研究對象，其對應(yīng)的兩個調(diào)壓室的總尾水流量變化如圖3 所示，從圖3 可以看出，在前 200s的時間內(nèi)，尾水流量逐漸升高，說明單位時間內(nèi)壓縮調(diào)壓室內(nèi)空氣的體積越來越大，從而導致調(diào)壓室內(nèi)的空氣在短時間內(nèi)壓力升高，并通過與調(diào)壓室相連的通氣洞排出。

圖3 尾水調(diào)壓室D1 工況下的水流量曲線

同時，這個過程是一個持續(xù)性的累積過程，由于剛開始尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位較低，尾水流量較小，單位時間內(nèi)所引起的空氣其體積變化能夠被較大的調(diào)壓室空間所吸收，基本不會引起調(diào)壓室向通氣洞的排風，也就是單位時間內(nèi)進入調(diào)壓室的尾水占據(jù)了一定的空氣體積，但并不會立即引起與該體積所對應(yīng)的等量空氣全部被排出調(diào)壓室，隨著尾水繼續(xù)以更高流量進入調(diào)壓室，調(diào)壓室內(nèi)的空氣體積變化逐漸累積增大，空氣壓力極速升高，這導致“與單位時間內(nèi)進入調(diào)壓室尾水體積所對應(yīng)的等體積空氣”，一部分通過通氣洞被排出了調(diào)壓室，而另一部分則用于維持調(diào)壓室內(nèi)較高的壓力，即前一部分空氣排出調(diào)壓室所需的動力。

上述分析說明：該流動過程在時間上是一個連續(xù)的動態(tài)過程[1]，需對尾水及空氣流動的全過程即從流動開始的0 s 至尾水流量即將轉(zhuǎn)為負值的180 s（取整3 min）進行連續(xù)的模擬計算。同時，該過程在空間上又可劃分為2 個相對獨立的對象來研究，即空氣為可壓縮流體的調(diào)壓室和空氣為不可壓縮流體的通氣洞及通風兼安全洞，前者重點通過計算留存在調(diào)壓室內(nèi)的空氣質(zhì)量和體積的變化關(guān)系，來求解調(diào)壓室的空氣壓力，后者則主要應(yīng)用流體力學計算排出調(diào)壓室的空氣質(zhì)量及其對應(yīng)的流動阻力即對應(yīng)時刻調(diào)壓室的空氣壓力，而這2 個對象中涉及的“留在調(diào)壓室內(nèi)的空氣質(zhì)量”與“排出調(diào)壓室的空氣質(zhì)量”之和即“單位時間內(nèi)尾水體積流量對應(yīng)的空氣質(zhì)量”，2 個研究對象存在計算上的迭代關(guān)系。具體公式如式（1）～（4）。

式中：Pτ—τ時刻時尾水調(diào)壓室內(nèi)空氣表壓力，P a；—τ時刻下留在調(diào)壓室內(nèi)的空氣流量（大氣壓狀態(tài)下），m3/ s；Vτ—τ時刻時調(diào)壓室內(nèi)剩余的空氣空間體積，m3；P0—標準大氣壓力，取101325Pa。

式中：V0—0 時刻時調(diào)壓室內(nèi)的空氣空間體積，m3。

式中：S—通氣洞及通風兼安全洞的通風總阻抗，kg/m7。

上式中，通氣洞的通風阻抗的計算涉及到風道狀態(tài)的假設(shè)，主要包括：假定風道絕對粗糙度κ=0.15 m，尾調(diào)通氣洞的局部阻力系數(shù)為2，通風兼安全洞（往排風井一側(cè)）的局部阻力系數(shù)為 3。同時，也涉及到沿程阻力系數(shù)λ的計算，由于空氣在通氣洞流動速度較大，其屬于紊流粗糙區(qū)，根據(jù)希弗林松公式，可計算得到空氣在通氣洞內(nèi)沿程阻力系數(shù)，具體如式（5）所示。

式中：λ—為通氣洞沿程阻力系數(shù)；κ—為通氣洞壁面的絕對粗糙度，m；d—為通氣洞及通風兼安全洞的斷面直徑，m。

接著需要根據(jù)風道沿程及局部阻力系數(shù)求取通風阻抗，如式（6）所示。

式中：L—為通氣洞或通風兼安全洞的長度，m；ζ—為單個局部阻力結(jié)構(gòu)對應(yīng)的阻力系數(shù)；ρ—為常壓下的空氣密度，取1.2 kg/m3。

最后，得到的風道水力計算前的各參數(shù)值為：λ=0.0144，尾調(diào)通氣洞的通風阻抗S1=0.0012 kg/m7，通風兼安全洞的通風阻抗S2=0.0016 kg/m7。

3 模擬計算及結(jié)果分析

通氣洞的空氣流速計算主要采用 Excel 軟件，由于每一個時刻均涉及到調(diào)壓室內(nèi)壓力和通氣洞內(nèi)空氣流量的迭代計算，考慮到 Excel 自帶的迭代功能迭代步數(shù)有限，因此根據(jù)前述分析得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行分段計算的方法進行尾水閘門開啟后，通氣洞空氣流動的模擬計算。主要將0 s～180 s 的計算時間劃分為了“開始時刻 0.0s～12.6 s”、“峰值時刻 12.9 s～45.3 s”、“下降時刻 45.6s～99.9 s”和“后續(xù)時刻 100.2 s～180.0 s”共4 個區(qū)間。

最終得到通氣洞內(nèi)的風速計算結(jié)果如圖4 所示，其最大風速值出現(xiàn)在“下降時刻”的47.5 s 附近，為22.9 m/s。而采用前后時刻互不關(guān)聯(lián)的常規(guī)算法即將該問題簡化為某時刻下的穩(wěn)態(tài)過程的計算方法，得到的結(jié)果亦在圖4 中給出，其最大風速值出現(xiàn)在“峰值時刻”的14.7s 附近，為24.69 m/s，采用常規(guī)算法比連續(xù)時間的模擬算法得到結(jié)果差異明顯，因此該問題不可利用常規(guī)算法粗糙求解。

圖4 不同計算方法所得到的通氣洞空氣流速曲線

為了進一步判斷調(diào)壓室壓力變化對主廠房等造成影響的程度，需根據(jù)尾調(diào)通氣洞與通風兼安全洞的連接處的壓力變化進行定量分析，根據(jù)前述計算結(jié)果，可得到尾調(diào)通氣洞與通風兼安全洞連接處的壓力波動曲線，如圖5 所示。

圖5 尾調(diào)通氣洞與通風兼安全洞連接處的壓力變化曲線

從圖5 可以看出，尾調(diào)通氣洞與通風兼安全洞的壓力分布曲線的最大值同樣出現(xiàn)在風速最大的時刻47.5 s 附近，為1636.5 Pa，壓力絕對數(shù)值較大，會對主廠房造成一定的影響。但同時我們發(fā)現(xiàn)，當調(diào)大通氣洞或通風兼安全洞的通風局部阻力系數(shù)時，雖然連接處的壓力會略有提高，但風速的絕對值會出現(xiàn)降低的情況，從而降低尾水調(diào)壓室對主廠房的影響。

4 結(jié)論

通過模擬計算，得到通氣洞內(nèi)的最大空氣流速為22.9 m/s，尾調(diào)通氣洞與通風兼安全洞連接處的最大壓力值為 1636.5 Pa，二者均出現(xiàn)在“下降時刻”的47.5 s附近，且均低于采用常規(guī)直接計算方法得到的空氣流速和壓力。但由于空氣流速峰值及連接處的壓力峰值均較大，會對主廠房的正常運行造成一定的影響。

初步分析后，針對尾水調(diào)壓室對主廠房的通風影響，可采取如下工程措施削弱影響程度：①將通風兼安全洞通往排風井一側(cè)的風機盡可能地選大，以減小流向主廠房的空氣流量。②減小通風兼安全洞通往排風井一側(cè)隧道壁面的粗糙度，增大通往主廠房一側(cè)隧道壁面的流動阻力。③在通風兼安全洞內(nèi)設(shè)置與尾水閘門聯(lián)動的圍堵措施，避免空氣向主廠房側(cè)的流動。