考虑热交换的大型深埋引水隧洞施工通风模拟

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大型深埋引水隧洞工程水文地质条件复杂,施工通风距离长、难度大、组织管理困难。传统的通风设计通常只研究施工高峰强度下的设备配置,而没有考虑风量需求的时变性和动态性以及深埋长隧洞储热作用对通风效果的影响,可能造成资源浪费、通风效果差等问题。因此,大型深埋引水隧洞施工通风研究具有重要的理论意义和很强的工程应用价值。针对大型深埋引水隧洞施工通风中存在的具有挑战性、亟待解决的关键科学问题:深埋长隧洞的储热作用所导致的通风散烟困难问题、施工通风两相流模拟的复杂性问题和长风管系统的沿程漏风问题,本文根据施工通风气固两相间力学特性、热力特性及扩散运移特性,建立了综合考虑气固热交换、尘粒间相互耦合作用和沿程漏风影响的大型深埋引水隧洞施工通风气固两相流Euler-Lagrange紊流模型,并运用PISO算法对其进行求解。通过与锦屏二级水电站4#引水隧洞的通风现场实测数据的对比分析,验证了深埋引水隧洞施工通风数学模型的可靠性;同时,进行了网格灵敏性分析,得到了合理的网格划分方案;结合某水利水电深埋引水隧洞工程,运用系统考虑气固热交换、尘粒间相互耦合作用和沿程漏风影响的引水隧洞施工通风气固两相流Euler-Lagrange紊流模型进行了施工通风动态模拟,模拟结果表明:(1)风流在风管出口处形成受限紊动射流,其风流结构可分为射流区、贴附射流区、回流区和涡流区;射流风速沿程逐渐衰减,射流断面半径先增大后减小;工作面区域的风流纵向速度随着z值的增加而增大。随着距隧洞出口距离的增加,风管漏风率和风量均沿程逐渐减小。(2)随着通风时间的增加,隧洞内的空气以及空气和隧洞壁面之间进行强烈的对流热交换,工作面的温度逐渐下降;当施工通风30min时,通风降温基本达到施工要求。(3)隧洞表面的换热系数随着通风时间的增加先增大后趋于稳定值,工作面换热系数最大。工作面的换热系数呈由断面中心向洞壁四周逐渐减小趋势,而其余断面的换热系数分布与之相反。通过与经验公式计算值的对比分析,验证了采用温度壁面函数法求解深埋长隧洞的换热系数是可行的。(4)在风流的携带作用、温度异重流和密度异重流影响的共同作用下,大部分粉尘沿着隧洞底部运移,部分粉尘上浮甚至出现回迁和二次悬浮现象;颗粒的相互碰撞会延长排尘所需的时间,对通风排尘造成不利影响。
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