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，當電站機組運行尾水閘打開時，大量的尾水會涌入尾水調壓室，導致調壓室內的空氣通過通氣洞被極速排出，如圖1 所示。

圖1 尾水調壓室主要組成和結構

而與通氣洞直接相連的是電站通風兼安全洞，通風設計要求通氣洞產生的空氣流動盡可能地不對主廠房造成影響，應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壓室后，通氣洞內的空氣流動狀態，以及其與通風兼安全洞連接處的壓力波動情況，需根據設計工況下調壓室內的實際水流量進行理論分析計算，并以該分析結果為依據，判斷尾水閘打開時對主廠房通風的影響程度。

圖2 與尾調通氣洞直接相連的隧洞空間布置

經測算，尾調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，斷面尺寸與尾調洞接近。調壓室所在空間總長度340 m（1#和2#調壓室長度均為 155 m，中間預留巖梗柱長 30 m），空間寬度 22 m，調壓室內的最高涌浪水位為978.90 m，最低涌浪水位為 942.95 m，高差約 36 m，對應的水位浮動總空間為V=250994 m3，當調壓室為最高涌浪水位時，包括調壓室拱頂空間在內的總空間為Vh=52909 m3，即當調壓室為最低涌浪水位時，調壓室內空氣所能充滿的空間體積為V0=303903m3。

2 風速計算參數及條件

根據已知，選取水流量峰值持續時間最長的 D1工況作為計算研究對象，其對應的兩個調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，尾水流量逐漸升高，說明單位時間內壓縮調壓室內空氣的體積越來越大，從而導致調壓室內的空氣在短時間內壓力升高，并通過與調壓室相連的通氣洞排出。

圖3 尾水調壓室D1 工況下的水流量曲線

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

上述分析說明：該流動過程在時間上是一個連續的動態過程[1]，需對尾水及空氣流動的全過程即從流動開始的0 s 至尾水流量即將轉為負值的180 s（取整3 min）進行連續的模擬計算。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壓室內的空氣質量和體積的變化關系，來求解調壓室的空氣壓力，后者則主要應用流體力學計算排出調壓室的空氣質量及其對應的流動阻力即對應時刻調壓室的空氣壓力，而這2 個對象中涉及的“留在調壓室內的空氣質量”與“排出調壓室的空氣質量”之和即“單位時間內尾水體積流量對應的空氣質量”，2 個研究對象存在計算上的迭代關系。具體公式如式（1）～（4）。

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

式中：V0—0 時刻時調壓室內的空氣空間體積，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的假設，主要包括：假定風道絕對粗糙度κ=0.15 m，尾調通氣洞的局部阻力系數為2，通風兼安全洞（往排風井一側）的局部阻力系數為 3。同時，也涉及到沿程阻力系數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，根據希弗林松公式，可計算得到空氣在通氣洞內沿程阻力系數，具體如式（5）所示。

式中：λ—為通氣洞沿程阻力系數；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。

接著需要根據風道沿程及局部阻力系數求取通風阻抗，如式（6）所示。

式中：L—為通氣洞或通風兼安全洞的長度，m；ζ—為單個局部阻力結構對應的阻力系數；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值為：λ=0.0144，尾調通氣洞的通風阻抗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壓室內壓力和通氣洞內空氣流量的迭代計算，考慮到 Excel 自帶的迭代功能迭代步數有限，因此根據前述分析得到的基礎數據，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“后續時刻 100.2 s～180.0 s”共4 個區間。

最終得到通氣洞內的風速計算結果如圖4 所示，其最大風速值出現在“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聯的常規算法即將該問題簡化為某時刻下的穩態過程的計算方法，得到的結果亦在圖4 中給出，其最大風速值出現在“峰值時刻”的14.7s 附近，為24.69 m/s，采用常規算法比連續時間的模擬算法得到結果差異明顯，因此該問題不可利用常規算法粗糙求解。

圖4 不同計算方法所得到的通氣洞空氣流速曲線

為了進一步判斷調壓室壓力變化對主廠房等造成影響的程度，需根據尾調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，根據前述計算結果，可得到尾調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在風速最大的時刻47.5 s 附近，為1636.5 Pa，壓力絕對數值較大，會對主廠房造成一定的影響。但同時我們發現，當調大通氣洞或通風兼安全洞的通風局部阻力系數時，雖然連接處的壓力會略有提高，但風速的絕對值會出現降低的情況，從而降低尾水調壓室對主廠房的影響。

4 結論

通過模擬計算，得到通氣洞內的最大空氣流速為22.9 m/s，尾調通氣洞與通風兼安全洞連接處的最大壓力值為 1636.5 Pa，二者均出現在“下降時刻”的47.5 s附近，且均低于采用常規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隧道壁面的粗糙度，增大通往主廠房一側隧道壁面的流動阻力。③在通風兼安全洞內設置與尾水閘門聯動的圍堵措施，避免空氣向主廠房側的流動。