2.2.4能量利用系數

在對氣流進行綜合評價的時候需要用到能量利用系數，利用該系數可以解決

很多在能耗方面的問題。在空調系統中存在室內氣流的影響，在這種影響下可以

進行氣流研究。在對氣流進行研究的時候需要對空調的工作區等部分進行調查，

需要使得空調進行合理的送風而不是將空調預熱帶向錯誤的位置，通過這種方式

可以提高空調排熱效率，進而減少總系統的功耗，使得空調更具有節能減排的經

濟性。在對其進行研究的過程中用到了能量利用系數，將其用"代表，那么其定

義式如下［8］；

式(2-10)

式中小送風溫度，℃,

仆排風溫度，℃,

/?：室內工作區的平均溫度，℃,

能量利用系數在一般情況下是由默認值的，在混合通風系統中一般默認為

1.(),但是在有些情況下如下送風將會大于l.Oo事實上，能量利用系數顯示的是

室內的熱力分層特性，即室內溫度的梯度變化。對于通風系統或者全新風系統，

節能潛力隨著能量利用系數的增大而升高。有時，能量利用系數越高，表明室內

溫度的梯度越大，所以不能夠太過分地強調能量利用系數，可能會影響到舒適性。

3CFD軟件及數值模擬湍流理論

氣流組織的模擬運用數值計算的方法對大空間速度場、溫度場的分布規律進

行研究，數值方法是模擬的基礎，它對實現氣流組織的模擬有著重要的意義。因此

下而對數值模擬的相關理論作以詳細介紹（2712用。

3.1CFD軟件簡介

CFD是英文ComputationalFluidDynamics:計算流體力學）的簡稱⑻,其

伴隨數值計算及計算機技術的發展而發展。通俗地講，CFD是一種虛擬的實驗，

他通過使用計算機科技技術來虛擬實驗數據，通過這些數據來模擬我們所需要的

流動狀況，從而進行研究。這樣的話可以利用網絡技術減少很多不必要的繁瑣工

作，他利用了相關的數學微分公式，通過這種方程式的技術來進行近似模擬。其

基本結構包括三大模塊，即前處理、求解器和后處理.，每個模塊都有其獨特的作

用。

前處理的主要包括幾何模型的建立和網格自動生成；后處理包括了其他的起

算，他涉及了壓力場、溫度場等幾個方面；求解器是數值模擬的主要部分，其基

本思想可以歸納為：用一連串有限個離散點的變量值的集合來代替原來在時間域

及空間域上連續的物理量的場，通過一定的原則建立起關于這些離散點的場變量

之間關系的方程組，然后求解方程組得到場變量的近似值。上述基本思想如圖

3.1所示：

圖3.1CFD求解器計算步驟

3.2流體動力學湍流控制方程

CFD計算方法可以看作是基本在流動方程（質量方程、動量方程、能量方

程）的控制下模擬流體的流動。通過模擬，可以獲得復雜問題流場內每個位置基

本物理量（如速度、溫度、壓力、濃度等）隨時間變化的情況及分布狀況。

3.2.1質量方程

在對流體的質量進行計算研究的時候，需要根據一個定律那就是質量守恒定

律，通過質量守恒定律的原理可以進行相關的計算，我們可以根據以下公式計算:

z

Op.O（p〃）,Mp?）,。（〃叩）_n

許*丁盛r=。

式（3-1）

在上面的式子中，u代表了x方向上的速度分量，v代表了y方向上的速度

分量，w代表了z方向上的速度分量；夕代表了流體密度；t代表了時間。

對于上面的式子可以進行簡化，簡化之后可以變為:

與+div(0U)=O

式(3-2)

如果未用了一個常識：流體密度為常數，可進一步進行簡化：

div(pU)=O

式(3-3)

3.2.2動量方程

動量守恒定律可以這樣表述；在微元體中，外界作用在微元體上的力的和等

于微元體動量對時間的變化率，就可以得出x、y和z三個方向上的動量守恒方

程。它是利用動量守恒性質來進行研究的，通過在多個坐標上分別使用牛頓第二

定律進行計算，然后進行組合，其中各個動量方程可以寫為：

u動量方程：

3(pu)I5(puu)?0(pvu)?Mpwu)

dtdxdydi

ddvdudGwdu

=---+—AdivU+2〃一k〃菽*拓+*

dxdx.\dxJ瓦付/式(3-4)

V動量方程：

e(pv),s(puv),s(pvv),s(pwv)

-------+---------+---------+----------

dtdydz

一d0Vdud’dwN、

%JXdiv6/+2/—一菽十可J1~+~

Z“I[oyoz)

5y61)&cz式(3-5)

w動量方程：

d(pw)c(puw)C(/7VW)3(/?ww)

----------+-------------4--------------4---------------

dtdxcz

=-生+〃d(d\d\(dv/Su、

g%vU+2司+貳"底+不力+就臨r+拓1+小

dydz式(3-6)

在這里面，〃代表了其動力粘度；代表了其第二分子粘度。

通過計算上述方程可以寫為下面的形式：

員包+div(put/)=div(f]gradu)+S〃-絲

dtox

式(3-7)

3.)+div(pu(/)=div(〃gradi，)+S.一短

式(3-8)

C(/7W)bp

+div(puU、=div(rjgradw)+Sw

atdz

式(3-10)

Sv碑H*H哈1+(前皿

oxyOyJoy\dy)uz\oyJoy

式(3?11)

d(cuyo(3"d(dx

5H=T-R7T-+—7—+—P7—+—

dx\ozJdy\ozJoz\cz)dz

式(3-12)

粘性系數為常數時的不可壓縮流，5,y=0,5v=0,Svv=0,動量方程可簡化為:

"；：)+div(puU)=div(唱一孚

式(3-13)

+div(puU)=d\v(ygradv)--

dtdy

式(3-14)

'(￥)+div(夕uU)=div(喀radw)-竺

6toz

式(3-15)

其中，u一流體的運動粘度。

3.2.3能量方程

能量守恒方程可表述為流入微元體的凈熱流量與體力和面力對其所做的功

之和等于微元體中能量的增加率，引入傅立葉導熱定律，可得出用溫度T和流

體比熔h表示的能量方程：

幽+Mpuh)十迤也十巡⑹=.pdivu+伽的m")十。2式

dtdxdydzp*h

(3-16)

在上面的式子中，代表了其導熱系數，Sh代表了其熱源，。代表了其耗散函

數，在機械能轉換為熱能的過程中，計算式為:

式（3-17）

式中pdivU為表面力對流體微元體做的功，可以忽略。另外，對于理想氣體、

液體、固體，Wh=C",Cp為常數，并把耗散函數。納入源項St中，可以得

到：

+div（夕UT）=div^/CpgradT）+S

dtr

式（3-18）

其中，S7.=Sh+（/）

對于「為常數的不可壓縮流體，可寫為下面的形式：

必+div（OT）=div（〃C〃grad7）+S//x?

6t

式（3?19）

3.2.4控制方程的通用形式

在研究流體的時候可以運用一些通用公式，其中其控制方程可以表示為：

里黑+div（pU（1））=而+S?

式（3-20）

在這里面，。代表了其通用變量，代表了其廣義擴散系數，S,代表了其廣義

源項。

在上面的式子中，其中包含了四項，其中分別為：不穩態項、對流項、擴散

項和源項，通過這幾項來對不同的物理量來進行計算處理。

3.3計算區域的離散化

計算區域的離散化是在對湍流問題進行解決時的一種辦法，他是來對計算區

域進行操作的重要一流程。在進行離散化處理其實就是代表了對連續空間進行離

散節點處理，它運用了多個過程，通過互不重疊的計算來進行表示，然后進行節

點位置的確定，通過這種確定來計算相應的值。

對規則區域進行計算需要的過程和不規則區域的計算是不同的，他是利用了

平行網格線方法，通過這個方法來對容積進行控制，然后根據這些流體現象進行

綜合整理，然后進行相應區域的計算，這其中有很多的方法，下面來對這些方法

來進行介紹：

I.采用階梯形邊界逼近真實邊界

真實邊界可以利用很多其他邊界來近似代替，其中可以采用階梯形邊界來代

替的方法，利用這種方法是采用了階梯形的網格得到技術，在利用這種技術的時

候，網格越細化就會越接近真實邊界值，利用這個方法進行的計算就越準確。這

種方法在運用的時候非常簡單，現在很多計算都開始利用這種方法，而且采用了

計算機技術，進而更加逼近真實邊界。

2.采用特殊的正交曲線坐標系

正交曲線坐標系考慮了真實邊界的復雜性特點，因為對于復雜的區域存在邊

界難易測量性，很多坐標并不能與之很好的適合，采用這種方法可以很好的解決

這種問題。

3.采用塊結構化網格

塊結構化網格實際上是對復雜區域進行簡化的一個方法，通過這種方法把復

雜的計算區域劃分為多個小的分塊，然后對這些小的分塊進行綜合計算，這和區

域分解算法有著相似的原理。

上面這三種方法都是根據結構化網格來進行計算的，他具有排序穩步的特

點，而且對于各個節點有著明確關系相連。

4.非結構化網格

除了結構化網格還存在非結構化網格，這種方式和結構化網格不一樣，他不

是運用固定的法則來進行計算研究的，它可以處理二維問題、三維問題等，而且

他運用了多面體進行軸助研究，他的網格生成的數量是相對較多的。

3.4控制方程的離散

在控制方程中，可以利用離散方法進行解決一些問題，通過該方法在基尼系

那個問題解決的時候是利用離散節點處的值來進行的。并且對于離散化的變量可

以進行變量假設的引入，然后進行聯系，最后通過控制微分方程來進行計算，這

種可以叫做離散方程，而且這種方程和之前的微分方程擁有相同的原理。

對于引入節點變量他們是之間相互聯系的，但是這是人為的進行假設的，不

過他對于節點數目很大的時候是相當于連續變化的，這樣的話已經不會影響到結

果了，而且這樣計算出來的值和微分方程精確解的值是非常地接近的。

對于湍流數值計算用到的方法也很多，他會在進行的計算中用到離散方程推

導方法，這其中包含了有限差分法、有限元法等，通過這些方法來進行計算，現

在數值計算方法運用的越來越廣泛。

3.4.1控制容積積分法

在限體積法中建立離散方程中用到了一種很重要的方法：控制容積積分法。

通過這種方法可以很直觀的對物理概念進行解析，而且他在整個區域內對于很多

量都是可以很好的被精確滿足的。在網格節點中也存在這種特征，而且這種特征

是不對節點個數做限制的，從而對積分平衡可以進行準確的解析。在這個方法中

還包含了很多其他的有點，其中可以使迭代法求解在離散方程組中進行運用，存

在了有限插分法的優點，進而可以獲得收斂解。

控制容積積分法在進行運用時存在幾個步驟，如下所示：

1.對空間與時間作積分，其中的操作針對任一控制容積及時間間隔內的，在

這個過程中對界面上的曲面進行積分，其中需要將空間進行積分化。

2.要對未知函數進行確定，在此基礎上進行時間及空間的曲線分相類型劃

分，進而對控制容積界面進行被求函數值的計算。

3.進行對型線積分操作，并且對積分的操作結果進行整理。

3.4.2用控制容積法離散控制方程

在圖3.2中對流場進行了詳細的介紹，其中取加代表微元控制體，在這個

控制體里面存在這六個面，在這六個面里面分別代表不同的含義，下面對各個面

的含義進行介紹：t、b、e、w、n、s分別代表控制體在z軸方向的正方向、控制

體在z軸方向的負方向、控制體在x軸方向的正方向、控制體在x軸方向的負方

向、控制體在y軸方向的正方向、控制體在y軸方向的負方向。

在對方程進行離散的時候用到了控制容積積分法，其中涉及到了高斯定理，

根據這個定理對積分問題進行設定，而后進行積

分方程的計算，并且對控制方程進行離散化處理。

通過上面的離散過程并且進行結合可以得到

簡化形式：

—aE@E++aN@N++。7。廣++b

圖微元控制體

式(3-21)3.2

上式中：在=2闋&|)+max(-匕,0)

即,=QA(|&J)+max(/,,O)

式(3-21a)

^v=RA|^,|)+max(-^,O)

式(3-21b)

的="(圖)+max(-月。)

式(3-21C)

%="A(|.|)+max(-耳,0)

式(3-21d)

%=24|Kj)+max(-4。)

式(3-21e)

?

b=SczlxA)Az+4戒

式(3-21f)

opVjvAyAz

(lp=

/\t

式(3-21j)

ap=aE+aw+aN+as+aT+aH-S^AxAjAz式

(3-21h)

界面上的流量、擴散阻力的導數（記為D）的計算式為:

△必z

F=(pu\\y\zF

e,(血

式(3-21i)

6.=(P?)H.AyAz凡⑶)J

式(3-21g)

_rAzA.r

工=3)“AzAxn

一（力）.

式(3-21k)

rAzAr

F=(pv)^z\xF5=s、

ss(by)..

式(3-211)

五二但包

F,=ArAy

l（bz>

式(3-21m)

「/AS),

Fb=(p叫AxAy

(岡

式(3-21n)

3.5高Re數的k-*兩方程模型

3.5.1湍流運動與傳熱的數值模擬方法

現階段在對湍流運動與傳熱的數值進行的模隊中，一般經常采用的方法存在

三個，現在對著三種方法進行介紹：

1.直接模擬，在直接模擬中運用了三維非穩態方式，通過這個方式來對湍流

進行分析計算，其中具體的方式是數值模擬計算，這個過程是直接進行的不存在

轉接過程。在對數值進行計算的時候采取空間結構的調整和時間分節的方式，另

外這種運算量很大，需要高配置的計算機進行輔助，現在能滿足這種要求的計算

機很少。

2.大渦模擬，在大渦模擬中是利用了旋渦學說。這中間通過渦流進行能量

獲取，而且他們進行了同向高度的采納，對于不同的渦流他們的形式是不同的，

會隨著不同的情形而改變。對于大尺度的渦和小尺度的渦是存在一定的聯系的

的，能量能從大尺度的渦想小尺度的渦進行轉換，然后有大尺度的渦進行能量耗

散，他們是由很大的相似行的，對于不同的大尺度的渦也存在很多的共性。這種

共性造成了研究的方便性，對于湍流脈動所造成的影響進行描述的時候我們用到

了一個術語：湍流粘性系數，也就是通過泯粘性來進行描述。

對于大渦模擬方法現在變得越來越普遍，以前計算機技術相對落后，而且大

渦模擬方法需要高配置的計算機，技術相對跟不上，但現在計算機技術越來越發

達，因此大渦模擬方法開始在計算中占據一定的地位。

3.應用Reynolds時均方程的模擬方法，在該方法中使用對時間作平均的方

式，對均物理量進行了獲取和計算，另外這些的量里面包含了脈動量乘積的時均

值等，這些都是未知量，因為這個原因使得方程的個數相對于未知數的個數會較

小。在進行這些計算的時候需要進行假設，在進行假設的時候對模型進行建立，

通過模型的建立把確定的量的函數描述出來。

Reynolds時均方程里面包含了湍流粘性系數法和Reynolds應力方程法，這

兩個方法現在的運用都是非常廣泛的，其中湍流粘性系數法最為廣泛，這種方法

在運用中可以節省大量的時間，因此獲得了很大的賞識。

352k?￡兩方程模型

1.耗散率的定義，耗散率是針對湍流中單位質量流體脈動動能的，在這里

面進行能量的轉換描述，其中機械能和熱能相互轉換的定義為：

加3“

￡=v(—L)(^-L)

甑oxk

式(3-22)

在上面的式子中，￡代表了分子粘性，通過重復性的計算來求和。

在三維非穩態Navier-Slokes方程中，進行了相關系數的推導，在這個推導

的過程中會需要一些簡單的處理操作，因此對*進行定義：

￡=G)年

式(3-23)

在上面的式子中品代表了經驗常數，在對這個式子進行理解的時候我們需

要對其中的原理進行理解，夕女和大的渦、較小的泯傳進行能量傳遞的速率是成

正比的，因此可以得出這樣的一個式子:

p-吟-pKvl

7k

式(3-24)

2.k—￡控制模型，他是建立在k的偏微分方程之上的，在這里面可以對瞬

態Navier-Stokes方程進行運算，在進行計算的時候會將新變量進行引入，進而

對這些量進行處理，在經過處理之后，可以得到下列的方程:

dkdk

P-+Puj—=品(”馬當+7韻粵+筌］-a

；dr；dr；dr；

dtdtoxJKa,JOX/JJ1

式(3-25)

￡方程為

dedsd..n.xde.c.edu.,du,3〃i

dtdxkdxk/dxkKex.cxik

式(3-26)

在上面的式子中?代表了湍流粘性系數，式子為:

式(3-27)

對于k—￡模型，它可以對湍流對流換熱問題進行解決，在進行解決的時候

引入了新的變量，通過引進三個參數來進行計算，參數如下表3.1所示:

表3.1三個系數和三個常數的參數值

6品CT]

1.020.8乙0.291.421.640.9-1.0

3.6代數方程組的求解

在對代數方程組的求解進行求解的時候，需要通過數值模擬方法，通過該方

法來對湍流問題進行代數方程組求解，在其中可以通過兩種解法來進行解決：直

接解法和迭代法

1.直接解法，在直接解法中，對有限步的數值計算進行了運用，通過這種

運用來對代數方程組進行求解。其中用到了應變力和彈性應力，對其進行直接解

法的方式來求解，這是對于彈性應力的線性問題的解決，對于非線性湍流問題，

用這種方法就行不通，需要通過其他的方法來進行解決。

2.迭代法，迭代法經常用來解決大型稀疏線性方程組求解的問題，在進行

求解的時候用到了方程組的求解轉換的方法，將復雜的問題進行簡化，這樣對計

算機要求就比較低了。

4水電站工程概況

4.1水電站的組成

工程主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道、地下廠房

等。地下廠房內安裝8臺單機容量為205MVA的水斗式水輪發電機組及其附屬

設備。地下主變洞內安裝25臺容量為68.3MVA的單相變壓器（備用1臺）。電

站采用計算機監控系統。該電站建成后將是全球裝機臺數最多、水頭最高、總容

量最大的沖擊式電站。

該水電站由地下主廠房、主變洞、母線洞和對外通道施工洞等組成，其關系

的透視圖如下圖4.1所示，主廠房根據功能需要共分為發電機層、中間層、水輪

機層和球閥設備層。

圖4.1水電站地下廠房整體示意圖

4.2該水電站所在地區的自然環境

日平均溫度：25℃

極端最低溫度：15℃

極端最高溫度：35℃

年平均相對濕度:90%

位于厄瓜多爾首都處的CCS水電站位于赤道線上，屬熱帶雨林性氣候，全

年高溫、高濕，年平均相對濕度不小于90%,從上面幾組數據也可以看出，最低

溫度都己經達15C,而最高達35C,這是國內從來不會遇到過的狀況，因此如

何解決并應對高溫、高濕環境對電站設備及控制系統的安全運行這一挑戰是本專

業所必須面對的課題，對進入廠內室外新鮮空氣的控制成為關鍵問題的癥結。

針對這一問題，收集了地下廠房通風空調的大量基礎數據，并比較研究了多

個方案后，該水電站提出了新的解決辦法，白天廠房內的熱負荷及濕負荷通過空

氣處理機組消除，并且采用加大循環風量來提高舒適度。同時，通過對該地收集

近2年的每天天氣預報資料數據中可以看出，每天都有10多個小時的時間氣溫

低于22C,采用通風運行方案既經濟節能而且也合理可行。設計采用空調送風

與全通風2種運行工況，白天空調送風，夜間全通風工況運行。

4.3水電站建成后主廠房溫度及相對濕度

空調通風系統設計完成后，為了確保廠房內設備的安全運行和人員舒適，對

廠房內各個場所的溫濕度進行了控制。地下主廠房內各場所的溫濕度設計標準如

下表4.1所示，

表4.1廠房室內各場所夏季設計溫濕度

廠房區域溫度濕度

發電機層<26℃<65%

母線層W28C<70%

水輪機層W28C<70%

球閥廊道層W28℃《70%

GIS室W28℃^80%

主變室W31℃不規定

4.4水電站通風氣流組織設計

在設計水電站通風氣流組織的同時，要考慮各種各樣的因素，所以應遵循以

下幾點設計原則：

1）通風空調系統方案及設備選擇應遵循經濟合理、節約能源、安全可行的

原則；2）地下廠房通風系統應優先考慮機械通風的運行方式，通風不能滿足排

除余熱要求時采用空調+新風運行方式；3）單獨設置事故排煙系統；4）在通風

管網中相鄰房間具有防火分區要求時，設置防火沒備及采用防火措施；5)對進

入廠房的室外空氣為保證其清潔度，在條件允許情況下，盡量設置空氣過濾裝置。

在考慮設計原則的條件下，針對本水電站地理位置的氣候條件和廠房的需

求，進行了主廠房的氣流組織設計。由于此水電站的特殊性，通風空調設計已由

相關設計單位完成，現對其設計加以描述。

1)由于工程所在地位于赤道線上屬熱帶雨林性氣候，全年高溫、高濕，年

平均相對濕度不小于90%。在對地下廠房通風空調大量基礎數據的收集比較研究

及多個方案的技術論證后，對地下主廠通過采用空調送風的方式對地下主廠房進

行送風，廠內熱負荷和濕負荷通過位于水輪機層的空氣處理機組來處理，以滿足

溫濕度指標要求，同時采用來自于球閥廊道層的循環風通過加大循環風量提高舒

適度。對溫濕度要求低的主變洞采用全通風方式。母線洞既有通風系統乂有空調

系統，泵房、制冷機房等采用的是全通風運行工況，母線層和水輪機層的大空間

為了確保機電設備的安全運行，均采用的是吊頂式空調系統，氣流組織為上送下

排。

2)地下主廠房拱頂層為正常通風時排除廠內有害氣體的通道及事故時的排

煙排風通道；對外進排風通道共有三條：一條是洞長約495m的進廠交通洞，其

二是洞長約530m的高壓電纜出線洞，以及位于地下主廠房右端的長約500m的

地質探洞，該探洞分別連接主廠房和主變洞，并用作主廠房和主變洞的部分排風

排煙通道。

4.5水電站廠房冷負荷的計算

地下廠房的主要冷負荷集中在室內熱源形成的冷負荷。室內熱源包括設備散

熱、照明散熱、人體散熱及墻體傳熱量等。設備散熱和照明散熱在水力發電廠廠

房的散熱量中占主導地位，是本設計中考慮的主要因素。對于水電站發電機層，

他的氣流組織是相對傳熱穩定的，因此需要絕熱處理過的墻體，這樣可以避免凝

結問題，進而精確的本問題進行處理。

在對各層散熱量進行計算后最終計算出其冷負荷的數值。下表4.2為各層冷

負荷數值表。

表4.2廠房各個區域的發熱量匯總表

區域名稱冷負荷(kW)區域名稱冷負荷(kW)

發電機層154.2G1S室78

母線層511.8高壓電纜洞60

水輪機層157繼保室404

主變洞645.6母線洞404

4.6各系統通風量及空調量的計算

本設計中，主變洞采用全通風方式，主廠房及母線洞采用部分新風加空調的

方式，來滿足溫度指標的要求；濕度指標采用對新風預處理的方案，然后再送入

發電機層。

根據以下公式計算排除室內余熱所需的風量，即通風量⑶1。

,3600Q

L=-----

c\tp

（式4-1）

式中；夕一空氣的密度，kg/m3；

加一溫度差，℃;

c一空氣的比熱容，kj/kg?℃；

Q一發熱量，Kw；

L一風量,rrP/h。

根據以下公式計算確定空調的風量

L=3600g（式4-2）

（『J）。

式中：L—送風量,nrVh；

。一室內冷負荷，Kw；

二一室內空氣的焰值，kJ/kg；

一送風狀態下空氣的焰值，kJ/kg；

p一空氣的密度，kg/m3o

根據以上通風量和空調風量的計算公式得出了主廠房各通風系統和空調系

統的風量，現列表如下4.3和4.4。

表4.3各通風系統風量匯總表

系統名稱風量風機風機風量風機壓頭

(m3/h)型號(m3/h)(Pa)

母線洞通風系統22991212299149

主變洞1-4#機組段通風系統131291223690163

主變洞1—4#機組段通風系統243041235390164

球閥廊道層到發電機層通風系統31141263114138

制冷機房通風系統40001274000123

泵房通風系統4(X)01274000123

除濕機通風系統3000011715000450

1#導風支洞和高壓電纜廊道排風系統9368411853530