常规岛主厂房通风换气方案的研究

谢良珊，刘 刚，杨其才，冯 震

（东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

随着核能在中国能源发展战略中的地位的不断提升，我国核电厂的数量和容量必将大幅度提高.核电站常规岛主厂房的通风换气方式最初是参照火电厂汽机房的经验进行设计的，由于汽机房一般为大空间建筑，且厂房内散发的热湿负荷较大，为满足人员的热舒适性要求，宜选择机械通风方式.核电站常规岛主厂房与火电厂汽机房在结构类型和设备特性等方面的差异较大.如何合理地引进自然风，获得既节约能源又安全运行的通风方案是常规岛主厂房通风设计的重要改进方向.

影响自然通风的因素很多，如室外风速、风向、通风温度、太阳辐射、室内热源大小和分布以及建筑物的结构特点等.关于自然通风机理的研究已经比较成熟，文献[1-2]提出了“Emptying Filling Box”通风模型，对自然通风的流动特性进行了研究；文献[3]运用数值模拟方法研究了自然通风作用下建筑物对气流的影响.到目前为止，研究室内气流分布规律的常用方法有现场实测、风洞模拟及数值模拟3种方法，由于数值模拟比其他2种方法具有更多的优越性，近年来成为研究室内气流流动规律的主要方法之一.文献[4-5]对热压和风压共同作用下的自然通风效果进行了大量试验研究和理论分析；文献[6]分别运用大涡模拟和κ－ε湍流模型模拟了室内的流场分布，并对2种方法得到的通风效果进行了比较；文献[7-8]采用雷诺平均法（RANS）论证了水电站地下厂房采用自然通风模式的可行性，分析了影响室内空气品质的主要因素；文献[9]采用Airpak软件对某火电厂汽机房的通风气流流场进行了数值模拟，解决了机房气流组织不均匀的问题.由于数值模拟法获得的数值解总存在一定误差，为了确保模拟结果的可靠性，有必要对试验测量和数值模拟的结果进行比较分析.文献[8，10-11]介绍了建模的方法，分别建立了1∶18～1∶25的缩小比例模型，并成功地验证了数值法在模拟大空间厂房气流组织的可靠性.

本文以某核电站常规岛的主厂房为研究对象，针对半地下式、多层大空间的结构特点建立物理模型，采用Realizableκ－ε湍流模型，对不同条件下的通风换气方案进行数值模拟.鉴于该工程尚未完工，为了验证数值模拟的准确性，搭建了1∶20试验台对速度场和温度场进行测试.为了提高计算效率和精度，仿真计算使用了东华大学研究生动态测试与并行计算试验基地提供的集群式并行机.

图1 常规岛主厂房数值模拟模型及风口位置Fig.1 The simulated model in main power house for conventional island and the vents’location

1 概 况

常规岛主厂房采用钢筋混凝土结构，其数值模拟模型及风口位置如图1所示.建筑由3部分组成：地下层、夹层（0m层）、运转层.工程拟建设2台容量为106kW级的压水堆核电机组，主厂房通风采用侧面进风、顶部排风的气流组织形式，地下层进风由高于地面的3处地沟进风窗引入，其他各层进风分别从两侧的进风百叶流入，空气与室内热源进行换热、换湿后，由主厂房运转层和除氧器间的屋顶排至室外.

参考相关设计资料，核电站常规岛主厂房的设计进风温度为当地夏季通风室外计算干球温度.为满足人员舒适性及生产工艺性的要求，工作地带的允许温升不超过3～5K；汽机房和除氧器间的排风温度不允许超过进风温度8～10K.参考了多个厂家相同类型发电机组的运行数据并修正，得到该主厂房的总散热负荷为5.42MW，其中汽机房4.80 MW，除氧器间占0.62MW.主厂房具体参数如表1所示.

表1 主厂房具体参数Table 1 Specific parameters of the main power house

2 数值模拟

2.1 计算方法的确定

数值模拟计算拟选择雷诺平均法（RANS）中的湍流模型，标准κ－ε湍流模型由文献[12]提出，通过引入湍动能κ和湍动能耗散率ε，将湍流的脉动值与时均值等变量联系起来，解决了Navier-Stokes时均方程组不能封闭的问题.而文献[13]研究认为，标准κ－ε湍流模型对时均应变率特别大的情形，有可能导致负的正应力出现，为了避免这类违背湍流定律的现象出现，将湍动黏度表达式中的经验系数Cμ与应变率联系起来，提出了可实现对正应力进行约束的Realizableκ－ε模型.结合各种湍流模型的特点及应用情况，利用 Fluent 6.3软件选择了 Realizableκ－ε模型处理雷诺应力项，选择基于压力的分离隐式求解器，并采用SIMPLEC算法实现压力和速度的耦合，考虑到对于室内散热产生的热浮升力的重要作用，选择了专门适用于体积力流动的加权体积力（Body Force Weighted）插值格式，其他方程均使用二阶迎风格式.由于研究的室内气流组织属于黏性、不可压缩的低速湍流流动，满足Boussinesq假设，因此本文选取的输运方程[14]如下：

2.2 物理模型和边界条件

选择非结构化处理能力较强的GAMBIT前处理器建立物理模型，不考虑配电室，水处理采样室及油室等附属空间，简化后建筑物的几何尺寸为x×y×z＝71.6m×41.5m×108m.为保证网格密度和网格质量，采用了分区结构化网格与整体非结构化网格对物理模型及其子模块进行网格划分，经过多次调整得到主厂房总网格数约为250万.

本文主要研究主厂房内部气流的通风换气模式，重点探讨自然通风作用下室外风压对热压的增抑作用，以及自然进风与机械排风相结合的通风效果.边界条件的取法可参考文献[15-17]，具体设置如下：

入口边界条件 设定速度进口或压力进口条件；

出口边界条件 选择压力出口条件；

固壁面条件 按照壁面性质不同分别给定无滑移的壁面边界条件、对流热边界条件和辐射边界条件.

3 试验验证

根据设计方提供的图纸，按1∶20的比例尺进行建模，试验台以木结构代替原型的钢混围护结构，各层进风窗活动设置，内部散热设备用铁皮进行包皮处理，散热源用电热带代替，各层散热量可由模拟热源的热量控制系统进行调节，汽机房与除氧器间机械排风系统采用同程式布管，如图2所示.研究主厂房内的气流分布状况，需要测量排风管总风量和通风口的风量、风速、压力及温度.本试验台在每个楼层工作面及出入口设置了22个典型的取样点，取样点的具体位置如图3所示.为了能连续地监测主厂房内气流的温度场，安装了如图4所示的温度自动采集系统，取样数据的采集和存储可由该系统自动完成.

4 数值模拟与试验测量结果比较

由于条件限制，试验只测量通风模式为自然进风与机械排风相结合时的气流分布情况.通过调节排风机的频率及风阀开度，实现汽机房和除氧器间的排风量与散热量对应成比例.试验表明当模拟热源和风机启动运行至160min时，系统的热不平衡率小于5%，此时可认为试验测量的条件与数值模拟的环境基本一致.数值模拟与试验测量采集22个典型取样点的温度结果及误差如图5所示.

图5 数值模拟与试验测量的温度值比较Fig.5 Comparison of the computed temperature with the measured data

由图5可知，数值模拟的结果与试验测量的数据吻合较好，其中，最小温度偏差在17取样点，误差为0.05K，最大温度偏差在20取样点，误差为0.93K，所有取样点的相对误差均小于5%.由此说明本文确立的数值模型与设置的边界条件是合理的，运用数值法模拟常规岛主厂房室内热环境的气流组织是可行的.

5 通风换气方案

5.1 数值模拟工况介绍

核电站所在地区的夏季气象参数如表2所示.在该气象条件下设置计算模型的边界条件和相关参数，分别对下列4种工况进行模拟计算：工况1为风压单独作用；工况2为热压单独作用；工况3为风压与热压联合作用；工况4为自然进风与机械排风共同作用.

表2 当地夏季气象参数Table 2 Local meteorological parameters in summer

5.2 结果与分析

输出的计算结果包括主厂房内部空间的温度场、速度场及压力等气流分布状况.限于篇幅，仅列出各层的通风换气量，如表3所示，表4为各层面平均温度及排风温度，图6为工况2～4水平面温度的比较，主厂房的温度场分布如图7所示.

表3 各层的通风换气量Table 3 Ventilating rate in every layer kg／s

图6 工况2～4水平面温度的比较Fig.6 Comparison of temperatures in horizontal plane in condition 2～4

表4 各层面平均温度及排风温度Table 4 Area-averaged air temperatures in working zones and the exhaust temperature K

图7 主厂房的温度场分布Fig.7 Distribution of temperature in main power house

由表3可知，工况1地下层和除氧器间的通风量为负值，其他工况下除氧器间的通风量也均为负值，说明该处的进风窗处于排风状态；比较工况2和3，热压单独作用时的总排风量比热压与风压联合作用时的排风风量大，说明风压抑制了热压作用下的通风换气；进一步比较工况1～3可知，各楼层工况1与2的通风量之和也不等于工况3对应楼层的通风量，通风量的分布特点说明，在地下层风压对气流流动的阻碍效应明显，而在运转层风压与热压共同推动气流流动.

由表4可知，工况2地下层和夹层工作面的温度能满足设计要求，而运转层及以上均不满足要求，其中排风温度达317.3K；工况3除了除氧器间的温度大于设计值311K外，其他各层的温度满足设计要求，排风温度为314.0K达到设计标准.此外，由图6可知，主厂房自下而上温度呈上升趋势，厂房内部各层空间温度上升趋势更明显，当高度达到17.5 m左右后，温度不再出现下降现象，温度梯度也趋于缓和.

分析模拟计算的结果可知，在采用自然进风与机械排风相结合的通风模式下，随着屋顶排风机出口压力值不断增大，地下层的通风换气量增加较慢，夹层与运转层的通风量增加较快，除氧器间的通风量反而减小；当出口压力值达到45Pa时，夹层与运转层的总通风量增幅达70%.由图7可知，各层工作面温度在307.7～309.7K之间，各层工作面的温度分布均匀，无过热区域出现，完全满足主厂房内的热舒适性要求.

6 结 语

运用雷诺平均法（RANS）探讨了某核电站常规岛主厂房的通风换气方案，利用CFD软件模拟了4种不同条件下的气流分布状况，并将计算结果与试验测试的数据进行了比较.结果表明，两种方法获得的取样点温度基本保持一致，通过分析得到如下结论：

（1）模拟结果和测量数据的一致性，验证了该核电站常规岛主厂房气流组织的数值模拟结果是准确的；

（2）在典型气象条件下模拟计算的结果满足设计要求，说明在核电站常规岛主厂房中采用自然进风与机械排风相结合的通风换气方案是可行的；

（3）室外风压对热压增强或抑制自然通风的规律，对核电厂主厂房乃至其他厂房通风模式的优化设计与节能运行具有指导作用.

参 考 文 献

[1]LINDEN P F，COOPER P.Multiple sources of buoyancy in a naturally ventilated enclosure[J].Journal of Fluid Mechanics，1996，311（1）：177-192.

[2]LINDEN P F.The fluid mechanics of natural ventilation [J].Annual Review of Fluid Mechanics，1999，31（1）：201-238.

[3]JIANG Y，DONALD A.Natural ventilation in buildings：Measurement in a wind tunnel and numerical simulation with large eddy simulation [J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91（3）：331-353.

[4]LI Y G.Buoyancy-driven natural ventilation in a thermally stratified one-zone building [J].Building and Environment，2000，35（3）：207-214.

[5]LI Y G，DELSANTE A. Natural ventilation induced by combined wind and thermal forces [J]. Building and Environment，2001，36（1）：59-71.

[6]庄达民，孟宪海.室内气流分布的大涡模拟[J].空气动力学学报，2002，20（3）：332-338.

[7]范园园.小湾水电站自然通风研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2004：6-25.

[8]肖益民.水电站地下洞室群自然通风网络模拟及应用研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2004：107-142.

[9]徐菱虹，刘云霞，胡璋.Airpak模拟用于汽轮机房通风设计及优化[J].华中科技大学学报：城市科学版，2010，27（1）：36-40.

[10]李小丰.琅琊山水电站地下厂房通风模型装置设计与试验研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2003：10-63.

[11]杨愉.龙滩地下水电站全厂机械通风（空调）模型试验研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2005：21-56.

[12]LAUNDER B E，SPALDING D B.The numerical computation of turbulent flows [J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1974，3（2）：269-289.

[13]SHIH T H，LIOU W W，SHABBIR A，et al.A newκ－εeddy viscosity model for high Reynolds number turbulence flows[J].Computers ＆Fluids，1995，24（3）：227-238.

[14]龙天渝，苏亚欣，向文英，等.计算流体力学[M].重庆：重庆大学出版社，2007：29-34.

[15]CHEONG K W，DJUNAEDY E，CHUA Y L，et al.Thermal comfort study of an air-conditioned lecture theatre in the tropics[J].Building and Environment，2003，38（1）：63-73.

[16]王怡，刘加平.自然通风房间热环境的耦合模拟计算方法[J].太阳能学报，2006，27（1）：67-71.

[17]官燕玲，李安桂.火力发电站主厂房自然通风设计分析[J].热力发电，2004（8）：75-79.

[18]徐挺.相似理论与模型试验[M].北京：中国农业机械出版社，1994：14-213.