大型地下洞室群施工通风的三维数值模拟.pdf

文章编号10072228420100420094204 大型地下洞室群施工通风的三维数值模拟 叶敏敏,李艳玲,莫政宇,杨兴国 四川大学水利水电工程学院,成都610065 摘 要大型地下洞室群的施工通风问题是保证安全、 加快施工进度的关键。传统的施工通风设计无法掌控真实通 风效果,导致资源浪费。基于流体力学理论的地下洞室群施工通风三维数值模拟,能定量分析大型洞室、 关键节点或通 风洞井等的通风效果,为通风方案的设计和优化提供依据。 关键词地下洞室群;施工通风;流体力学;数值模拟;通风流场 中图分类号TV554. 15 文献标识码A 3D Numerical Simulation on the Construction Ventilation of Large Underground Tunnel2chamber Groups YE Min2min , LI Yan2ling, MO Zheng2yu, YANG Xing2guo College of Hydraulic and Hydro2electric Engineering , Sichuan University , Chengdu 610065 , Sichuan Province ,China Abstract The construction ventilation problem of large underground tunnel2chamber groups is the key to ensuring security and speed2 ing up the construction progress. The traditional construction ventilation design can not control the real ventilation effect , resulting in the waste of resources. Based on fluid mechanical theories , 3D numerical simulation on the construction ventilation of underground tunnel2chamber groups can quantitatively analyze the ventilation effect of large tunnel2chambers , key nodes or ventilation holes wells , etc , and provide a basis for ventilation design and optimization. Engineering applications show that the is feasible , reasonable and scientific. Key words underground tunnel2chamber group ;construction ventilation;fluid mechanics;numerical simulation;ventilation flow field 收稿日期2009211203 作者简介叶敏敏19862 , 女,硕士研究生。 通讯作者李艳玲19752 , 女,副教授。 0 引 言 良好的施工通风不仅是劳动安全的必须,也是创造良好的 施工环境条件,提高工作效率,加快施工进度的重要保证。传 统的通风设计通常只研究施工高峰强度的设备配置,而没有考 虑不同的掘进工作面位置、 断面尺寸、 施工方法和通风设备等 因素对通风效果的影响,在一定程度上造成了资源浪费;而目 前常采用的施工通风的动态仿真模拟[1 - 3]虽能充分反映整个 施工过程中需风量的动态变化过程,为合理、 经济地布置施工 通风系统提供决策支持,但仍不能真实模拟地下洞室群施工通 风流场,特别是不能定量考虑通风洞井等自然通风效果,无 法掌控实际的通风效果。本文依托向家坝大型地下洞室群,构 建基于流体力学理论的地下洞室施工期通风流场模型,定量分 析大型洞室、 关键交叉节点或通风洞井等的通风效果,为优 化通风设计提供依据。 1 数学模型构建 空气是可压缩的、 具粘性的流体,构建其控制方程时一般 认为其是理想气体,可忽略质量力、 且具有常比热系数cp和 cv。计算中采用Standardk-ε模型[4 - 5],其控制方程如下 9 ρ 9t ρv _ 01 9 9t ρv _ ρv _ v _ - PI Γ2 9 9t ρE ρv _ E [ -pI Γv _ ] - q _ 3 p ρ RT4 9ρ k 9t 9ρui k 9xi 9 9xi [ μ μt σk 9k 9xi ] G -ρ ε5 9ρ ε 9t 9ρuiε 9xi 49中国农村水利水电 2010年第4期 9 9xi [ μ μt σε 9 ε 9xi ] C1ε ε k G -G2ερε 2 k 6 式中p为有效压力; I{δij}为单位张量;Γ{τij}为有效粘性 应力张量,τijμμt 9ui 9xi 9uj 9xj - 2 3 μμt 9uk 9xk δij,μ为分 子粘性系数,μt为湍流粘性系数; q _ { qi}为热流矢量; Ee 1 2 v _ v _ 为单位质量流体的总能量; C1ε和C2ε为ε方程常数, C1ε 1.44, C2ε 1.92; Cμt 9ui 9xj 9uj 9xi 9ui 9xj ;μtρCμ k2 ε; C μ为经 验系数, Cμ 0.09;σk 和σ ε分别为k和ε的紊流普朗特数,σk 1.0,σε 1. 3。 2 控制方程求解 2. 1 控制方程离散 控制方程是一组偏微分方程,需要将其转化成已划分网格 的计算域中的每一个节点上的一组代数方程,方能运用计算机 求解,即控制方程的离散。本文采用有限容积法FVM ,从守 恒型控制方程出发,对其在计算域离散后形成的控制容积作积 分,得出节点间物理量间的代数方程式。 考虑稳态流场中的通用变量 的守恒型输运方程,并应用 于计算域中的任意一个控制容积,则任意控制体V上的积分型 方程为 ∑ N j 1∫ Aj ρu _ -Γ dA _ ∫ Vp0 SdV7 式中ρ为密度; u为速度矢量;为通用变量;Γ为广义扩散系 数;S为广义源项;V为控制容积的体积;A为控制容积界面的 面积矢量,其正向与外法线单位矢量一致; j为控制容积中界面 的角标; N为控制容积的界面数。 获得关于节点P0处变量 的代数方程,关键是如何将界 面上的对流项和扩散项的积分结果表示成P0及与P0相邻的 节点上 之值。将式7应用于计算域中的每一个控制体单 元,其离散形式为 ∑ Nr f VffAf ∑ Nf f Γ nAf SV8 式中Nf为控制体积包含的表面数;Vf为通过表面f的密流; f为通过表面f单位面积对流的 值; Af为表面f的面积; n为表面f法向上的 值;V为控制容积的体积。 2. 2 控制方程求解 可压缩流动中密度是变化的,因而速度的变化受压力和密 度的综合影响,即在可压缩流场中,速度-压力-密度三者之 间具耦合关系。控制方程求解采用基于原始变量的分离式解 法,顺序的、 逐个的求解各变量代数方程组,其算法计算步骤 如下 1由假定的速度场v0计算动量离散方程的系数及源项。 2假设一个压力场p0。 3求解动量方程,得到v3。 4计算压力修正方程的系数apj, ap0及源项bp。 5求解压力修正方程,得到压力修正值p′ 。 6用得到的p′ 修正压力与速度,获得本次迭代过程中满 足质量守恒的vj及pp0, vp0。 7用上述结果作为初场值,重复以上计算过程,直到达到 收敛标准为止。 2. 3 计算软件 本次计算采用目前国内外使用最多、 最流行的商业软件 Fluent软件[6]。它具有多种优化物理模型,可针对每一种流动 的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法,功能强、 适用面 广、 高效、 省时、 计算精度高,适用于向家坝大断面多交叉地下 洞室群施工通风流场分析。 3 向家坝地下洞室群施工通风的数值模拟 向家坝水电站位于金沙江下游,是金沙江梯级开发的最后 一级电站。工程枢纽建筑物主要由混凝土重力坝、 左岸坝后厂 房、 右岸地下厂房系统及左岸垂直升船机等组成,坝顶全长 909. 26 m ,坝顶高程383. 00 m ,最大坝高161 m。右岸地下厂 房系统由引水系统、 厂房系统和尾水系统3大部分组成,总装 机容量4750 MW。根据施工通风的动态仿真成果[7],施工 通风布置如图1。 图1 向家坝地下洞室群施工通风平面布置图 3. 1 网格生成 计算区域整体较复杂,单用一种规格的结构网格难以妥善 地处理所求解的不规则区域。因此,采用块结构化网格,对整 个计算区域进行合理划分,分为若干个子区域,在每个子区域 中独立地生成适合其外形的结构化网格,然后将各个子区域网 格连接起来,得到一系列的结构化网格,全计算域的单元体个 数567 413个。 3. 2 计算边界条件的设置 地下洞室洞壁及通风管壁均采用固壁条件通风管壁采用 金属管管壁,即假设为光滑管壁,糙率为零;洞壁采用喷混凝土 壁面,糙率系数为0. 025 ,粗糙度取0. 01 m。 假定所有进出口均接入大气,气温设为25℃。进厂交通洞 设置为主进口,进口风管边界条件为压力进口intake2fan ,按 实际的轴流风机型号设定气流压力为4 850 Pa ;1号施工支洞、 59大型地下洞室群施工通风的三维数值模拟 叶敏敏 李艳玲 莫政宇 等 3号施工支洞及321号施工支洞等设置为出口,风管边界条件 为压力出口pressure out ,按实际的负压轴流风机型号设定出 口的气流压力。 3. 3 计算成果分析 传统的通风设计中,对长隧洞通风是否设置风机串联、 串 联风机的具体位置等问题多根据规范要求并结合工程经验确 定,缺乏定量分析。本文针对风机串联的必要性及洞内串联风 机的不同位置对通风效果的影响进行分析。 3. 3. 1 洞内设置串联风机前后的通风效果对比分析 主厂房主要由4号轴流通风机通过进厂交通洞、2号施工 支洞供风,主变洞和尾水洞主要由3号轴流通风机通过进厂交 通洞及6号施工支洞供风。由图1可见,风机串联前,主厂房 中段至左端墙大部分区域风速偏小,低于规范规定的0. 25 m/ s ,特征点速度值见表1 ;主变洞左端墙局部区域风速偏小,低于 规范规定的0. 25 m/ s ,尾水洞通风效果较差,大部分区域风速 很低,小于0. 01 m/ s ,其特征点速度值见表2。风机串联后,主 厂房内大部分区域的速度均有较大增加,风速满足区大大增 加,主变洞内通风效果改善明显,所有区域的风速均能满足规 范规定,但尾水洞内通风效果虽有一定改善但仍不理想,如图 2、 图3和表1、 表2。总体而言,设置洞内串联风机对改善通风 效果作用明显。 图2 主厂房从左端墙至右端墙速度分布对比图 表1 主厂房特征点速度值 特重点座标 XYZ 速度/ ms- 1 不设置 串联风机 设置 串联风机 调整12号风机至 2号施工支洞口 主厂房 左端墙 5 顶拱段0. 2300. 1371. 082 中部0. 3950. 3480. 798 28 顶拱段0. 6450. 5970. 949 中部0. 5990. 5780. 844 主厂房 中部 5 顶拱段0. 1730. 4960. 835 中部0. 2310. 7430. 968 28 顶拱段0. 5550. 5020. 909 中部0. 5970. 5230. 881 主厂房 右端墙 5 顶拱段0. 8721. 0120. 643 中部1. 0271. 2060. 748 28 顶拱段0. 2682. 3812. 135 中部0. 1890. 3680. 922 表2 主变洞、 尾水洞特征点速度值 特征点座标 XYZ 速度/ ms- 1 不设置 串联风机 设置 串联风机 取消2号 风机 主变洞 左端墙 5- 6.60. 5720.4470. 998 23- 6.60. 6230.8110. 693 主变洞 右端墙 5- 6.61. 7622.3411. 63 23- 6.63. 1164.5162. 059 尾水洞1与6号 施工支洞交汇处 10- 6.60. 0500.0680. 097 尾水洞1 通风管出口处 13- 6.60. 7060.9581. 362 尾水洞2与6号 施工支洞交汇处 10- 6.60. 0340.0460. 065 尾水洞2 通风管出口处 13- 6.60. 4020.5390. 758 图3 主厂房、 主变洞左端墙速度分布对比图 3. 3. 2 洞内串联风机位置对通风效果的影响分析 向家坝地下洞室大部分区域的风速均达到规范要求值,通 风效果较好,说明通风布置较为合理,但仍有以下两个区域的 通风效果需要改善。 从表1中可以看出,设置12号风机后,主厂房内通风效果 改善明显,但其中下部的风速却明显减小,分析原因主要是5 69大型地下洞室群施工通风的三维数值模拟 叶敏敏 李艳玲 莫政宇 等 号施工支洞口串联12号风机后,大大增加了5号施工支洞的 分流流量,而降低了两个主厂房供风口的分流流量,特别是经2 号施工支洞分流到主厂房下部的通风流量从18. 65 下降到 8. 78 ,通风管出口风速也从12. 09 m/ s降低到7. 87 m/ s。经 5号施工支洞的风量主要满足引水洞的施工通风要求,而向家 坝引水洞较短,且进口有良好的通风条件,其最大的通风难点 在主厂房,因此降低主厂房的通风量而增加5号施工支洞的分 流量明显不合理,即12号风机的串联位置不应选在5号施工 支洞口。将12号风机的位置由5号施工支洞口调整至2号施 工支洞口后,主厂房总分流流量占总通风量的52. 8 ,通风效 果有明显的改善,见图4 ,主厂房内所有风速均能达到规范要求 图4 主厂房、 主变洞左端墙速度分布对比图 的0. 25 m/ s ,其特征点速度值见表1。 目前,主变洞通风效果较理想,若要改善尾水洞的通风效 果可考虑加大尾水洞的分流比。取消2号风机后,主变洞的供 风流量由总流量的46. 63 下降至26. 67 ,而两条尾水洞的 供风流量则由总流量的53. 37 提高至73. 33 ,且速度也增 加较明显,即取消2号风机后,主变洞内的速度略有降低,但仍 均能达到0. 25 m/ s ,满足规范要求,而尾水洞的通风效果有明 显改善,但仍有局部区域不甚理想,应尽快打通尾水洞出口,改 善其通风条件。 4 结 语 大型地下洞室群的施工通风问题,历来是地下工程施工中 的技术难题。施工中往往由于通风设计不当,增加不必要的投 入;或造成通风效果差,施工空气环境恶劣,严重制约工程进 展。本文采用的三维数值模拟分析方法,弥补了动态仿真模拟 不能真实模拟地下洞室群施工通风流场的缺点,对优化通风设 计方案,避免资源浪费,保证良好的通风效果具有重要作用。 向家坝地下洞室群三维数值模拟成果与实际较为吻合,研 究成果表明设置洞内串联风机能明显改善主厂房和主变洞内 的通风效果,为保证向家坝三大洞室的通风效果应将12号风 机位置调整至2号施工支洞口并取消12号风机,同时尽快打 通尾水洞出口以改善尾水洞内通风效果。□ 参考文献 [1] 杨庆学,郑家祥.大型地下洞室群施工通风动态仿真研究[J ].水 电站设计,2003 ,19 . 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