水电引水洞欧拉拉格朗日大涡两相流通风排尘研究

(山西省东山供水工程建设管理局，山西 太原 030000)

1 案例模型及重点参数简介

交漳水电站地处山西省晋中市左权县境内的清漳河干流上，控制流域面积3230km2，是山西省开发边界水规划的大型水利工程之一，属于典型的长引水洞引水式电站工程，由于上部埋深大，引水洞施工只能采用风管压入式通风。该引水洞的洞径为13m，设在引水洞顶部的通风管直径为2m。本研究依据550m处的爆破掘进面实测数据，典型化引水洞出口、横通道和爆破掘进面，应用ICEM CFD系统的六面体网格化结构分析功能，建立模拟200m长度的单体引水洞分析模型。依据模拟分析设计，分别在距离爆破掘进面105m、85m、65m、45m和25m处，设置编号为P5、P4、P3、P2和P1的风速测量点。引水洞现场、ICEM CFD网格化分析计算模型以及测点时均风速剖面云图见图1，风速计分辨率及其测量范围参数见表1。

图1 案例引水洞现场及相关分析模型

表1 风速计分辨率及其测量范围

表2 引水洞内平均风速实测值与模拟值对比

从表2数据看到，断面风速各监测点时均模拟值吻合于现场实测值，其中最小误差值为2%，最大误差值为8.5%，平均误差值在5.14%。可见模拟数值结果跟现场实测结果差异不大，表明所依据模型有较好的准确性，适合于本引水洞施工的通风模拟研究。

2 风流场压力场及气固热计量

2.1 风流场计量

2.1.1 三维风流场

风管射出风流后，受到引水洞壁面约束而受限形成紊动射流。在切应力的作用下，射流带动周边空气流动，形成若干不同的涡旋。掘进面阻挡射流而使其沿掘进面底部返折，这样在掘进面附近大范围内形成一个回流区。之后风流沿交通洞及引水洞运移，经交通洞口最终排出，完成一次引水洞循环通风。掘进面局部及引水洞整体风速矢量及细部发展结构见图2和图3。

图2 掘进面局部及引水洞整体风速矢量图 (单位：m/s)

图3 引水洞局部的风速发展矢量图 (单位：m/s)

由图3局部③可以看到，风流在引水洞的横通道，部分进入通道中形成横通道空气流通。局部②是交通洞与引水洞连接位置，风流分成两股，继续分别沿1号和2号支洞前行；在引水洞拐角处风流形成一个局部回流区，意味有害气体和粉尘容易在此处发生聚积。局部①揭示，风流矢量多指向洞口，无明显涡旋存在于交通支洞内，表明风流向引水洞出口平稳发展。

2.1.2 掘进面附近风流场

施工多集中于掘进面附近，此区域排尘通风效率工程意义更大。本案例研究，距离掘进面30m处为风管出口，掘进面区域多湍流脉动，故须重点关注掘进面区域的动态风流发展过程。掘进面区域风场发展状态见图4。

图4 掘进面区域风场发展状态

图4为2号引水洞掘进面附近T=1s、3s、7s时点，风流沿中心纵剖面的矢量图。右端是风管进风口，左端是开挖掘进面。可以看到，离开风管的射流与周围空气混掺强烈，射流核心的下上边缘都有若干小涡旋随机形成。下方存在一个大尺度涡旋，射流逆时针旋转，随时间演进而向掘进面推进。T=7s时点，该射流抵达掘进面，之后生成一个位置相对稳定的大尺度涡旋，进而生成掘进面区域回流区。核心射流上下边缘由于存在小尺度涡旋，呈现不规则波浪态，体现湍随机脉动特性。时均纵向风速典型高度分布曲线见图5。

图5 时均纵向风速典型高度分布曲线

图5绿色曲线揭示，在风管轴线高度上和15m距离内，13.5m/s风流基本保持风速不变，而再向前运动15m后，则风速很快减小，抵达掘进面后则降为0值。引水洞轴线(蓝色曲线)高度上，风速始终线性降低，且距离掘进面越近，则风速越低。呼吸道高度(红色曲线，z=1.5m)上，风速基本多为负值，大小在0～-2m/s之间发展，平均值为-0.91m/s，可见通风效果良好。

2.2 压力场计量

当r分别为1s、3s、5s、10s，即处于通风初始阶段时，掘进面区域瞬时压力场变化情况存在一定的规律性特点，见图6。通过分析观察可知，r为1s、3s、5s、10s时，瞬时压力场最大值并未发生较大变化，即一直出现于射流前端，瞬时压力最大值分别为47Pa、32Pa、26Pa、34Pa；而瞬时压力场最小值同样未发生变化，出现于射流核心上下边缘处，瞬时压力最小值分别为-12Pa、-24Pa、-21Pa、-7.7Pa。压力场最大值、最小值的分布位置变化规律与风流场发展过程十分相似，即随着时间增加，距掘进面距离越来越短。当r为10s时，掘进面开始与射流接触，而最大风压仍处于掘进面之上，其值为33.8Pa。

当r为600s时，雷诺时均模拟、大涡模拟所得到的风压云图存在较大差别，见图7。RANS结果显示，掘进面周围的压力分布变化较小，已经初步达到稳定状态，压力值也基本趋于稳定，变化十分微小，并且负压已经完全消失，压力最大值、最小值分别为18.9Pa、0。LES可以实现瞬态信息的实时捕捉，因而压力场分布状况存在较大的波动，并且负压仍未消除，压力最大值、最小值分别为52Pa、-12.7Pa。另外，LES可以实现瞬时信息捕捉功能，因此基于RANS得到的正风压最大值要远远低于基于LES所得值，即18.9Pa<52.0Pa。

图6 通风初始阶段瞬时压力场云图 (单位：Pa)

图7 T=600s时点LES与RANS所得风压分布云图对比 (单位：Pa)

2.3 气固热交换计量

当r分别为3s、5s、10s、20s，即处于通风初始阶段时，引水洞内温度场动态变化大涡模拟结果见图8。

图8 通风3s、5s、10s、20s时点温度云图 (单位：K)

对图8进行仔细观察与对比分析可知，风管中的低温气体流出之后，会与周围空气直接接触，并进行剧烈掺混，产生热交换现象，而高温气体也会立即进入引水洞内，并与引水洞内壁发生持续气固热交换。当通风时间分别为3s、5s时，掘进面仍未受到低温射流的作用，其温度在短时间内仍维持在303K左右，由于风管出口最先通过低温射流，因此风管出口部位降温最快。当通风时间达到10s之后，低温风流与掘进面开始接触，并发生气固热交换，掘进面温度也开始下降，但是温度降速十分缓慢，一般为0.5K左右。当通风时间达到20s后，气固热交换已经持续一段时间，掘进面周围空气得到冷却，温度为298K左右，而掘进面温度也降低至302K，掘进面边角位置的降温速率、降温幅度均远远低于中心区域。

与通风初始时点相比较而言，当通风时间达到60s时，引水洞、横通道交叉口位置的温度发生了较大的变化，见图9。对风温云图进行观察分析可以发现，当通风时间为60s时，引水洞内进入了大量的冷风与低温气体，而高温气体也逐渐沿洞壁向横通道岔口附近转移。横通道内冷空气、高温气体会发生剧烈的热交换现象，进而造成横通道内的温度在短时间内快速升高，即从最初的293K升高至296K。

图9 通风60s时点横通道附近风温分布 (单位：K)

通风时间不断延长，则高温气体在冷空气的“逼迫”之下逐步向引水洞出口转移，其具体运动转移过程见图10。对图10进行观察对比可知，当r由2min延长至4min时，热空气与掘进面之间的距离也逐渐拉大，即由70cm变为90cm；当r为10min时，高温气体便运动至引水洞中间位置，与掘进面之间的距离达到300m，掘进面最高温度也急剧下降，为298K左右。

图10 高温气体向引水洞出口运移的动态发展过程 (单位：K)

此结论表明，由于施工通风的作用，高温气体被逐渐驱散，掘进面温度也缓慢降低，施工通风方式可以有效降低引水洞内部温度。另外，由于引水洞内部冷空气、热空气同时存在，并且这两种温度不同的空气存在密度差异，因此导致密度异重流状况产生(见图10中的虚线放大图)。

根据本文研究分析需求，在引水洞内部分别取距离掘进面10m(x=540m)、20m(x=530m)、30m(x=520m)的平行截面，再加上掘进面(x=550m)，构成四组平行横截面，对四组平行面上的温度随时间变化状况进行全方位、多层面的剖析，结果见图11。

图11 掘进面区域的温度状态曲线

对图11进行对比观察可知，当处于通风初始阶段时，掘进面温度、掘进面周围风温基本保持相同，即为303K；当通风正式开始之后，四条温度曲线均开始呈现下降趋势，并展现出先快后慢的特点。掘进面壁温的下降速度要远远低于其他三个截面，这是因为气体与固体间的热交换速度要远远低于气体与气体间的热交换速率。当t为60s时，掘进面温度下降了3K，即为300K，而另外三个截面的温度却降低了7K，即为296K。当通风时间达到300s之后，掘进面平均风温为304K，并且下降速度十分缓慢，而另外三个截面的平均风温降低至293K左右，但是随着时间的推移，基本不会再产生较大变化。当通风20min之后，掘进面温度为293K，施工温度已经完全符合要求。

3 粉尘颗粒运移过程分析

在引水洞掘进面爆破、喷射混凝土等工序都要产生大量粉尘。粒径小于5μm的呼吸性粉尘对施工人员危害甚大。本节采用Euler-Lagrange模型，探究大涡状态下，引水洞施工尘粒动态运移和弥散特性。

3.1 洞内颗粒动态运移

颗粒从掘进面释放后，时点为10s、15s、20s和30s条件的粉尘颗粒洞内分布演变见图12。颗粒不同速度表现为图中的不同颜色。

图12 粉尘颗粒洞内分布演变 (单位：m/s)

分析结果显示，通风的前几秒，掘进面中下部与顶部分别有两个主要涡旋形成。t=10s时点，在涡旋影响下，气流分成两组，分别沿引水洞中下部和顶部运移颗粒簇；t=15s时点，三维湍流脉动促使颗粒向引水洞扩散；t=20s和30s时点，颗粒群继续向引水洞中部运移，颗粒簇在湍流随机脉动作用下弥散开来，向引水洞全断面分布。颗粒空间分布随通风时间推移而展现出随机性与三维性。可见，颗粒从掘进面释放后，初始以颗粒簇状态聚集，随后均匀弥散分布于引水洞全断面，形成对引水洞全断面的粉尘污染。引水洞横道颗粒弥散状态见图13。

图13 引水洞横道颗粒弥散 (单位：m/s)

粉尘颗粒在释放60s后飘移到横道位置(见图13)，经岔口有少量粉尘涌入横道，形成横道内粉尘污染。粉尘颗粒进入横通一般会滞留很长时间，因为横道内湍流活动较弱，风速较小。处置横道粉尘污染显然须额外采取降尘措施才行。

3.2 洞内颗粒浓度变化

图14展示的是随时间的两交通洞引水洞出口的排尘率变化曲线。曲线揭示颗粒群随通风时间增加不断移向引水洞出口。排尘率在1900s时点之前始终为零，意味粉尘颗粒在该时点之前还没有抵达引水洞出口处；但该时点后，颗粒不断从引水洞出口排出，排尘率随时间增加亦逐渐攀升。在4600s时点，引水洞出口的排尘率几乎达到100%，意味粉尘颗粒绝大多数已经排出洞口。

图14 引水洞出口随时间变化的排尘率曲线

典型区间250～550m段，典型时点1min、5min以及10min的引水洞颗粒浓度沿程分布曲线。

3.3 风管出口风速的影响

选取10m/s、13.5m/s和15m/s风管出口三种不同风速工况，对比通风1min时点三种工况掘进面近域粉尘浓度的分布状态。为了方便对比，特别统一设置各图色条区间在0～300mg/m3范围。掘进面附近基于不同风速的粉尘浓度对比云图见图15。

图15 掘进面附近基于不同风速的粉尘浓度对比云图 (单位：mg/m3)

由图15可以看到，基于三种工况的计算结果相互类似，颗粒均弥漫于掘进面80m附近区域，浓度状态呈现了较大的随机性。其中，10m/s工况与15m/s工况所得掘进面附近浓度的分布更为接近；区别仅在于15m/s工况所得掘进面附近颗粒浓度较10m/s工况低，但在远离掘进面位置，15m/s工况所得颗粒浓度高于10m/s工况计算所得。13.5m/s工况所得粉尘浓度值较10m/s工况明显低。总体看13.5m/s工况下，引水洞掘进面排尘通风的效果相对更理想。

分别在距掘进面10m、20m、30m及40m选取引水洞典型横断面，分别记为Q1、Q2、Q3及Q4。以通风1min时点，对比不同工况下引水洞横断面粉尘颗粒平均浓度，具体结果见表3。

表3 典型断面三种工况下的平均颗粒浓度

由表3可以看到，随断面距掘进面距离增加，断面平均粉尘颗粒浓度三种工况下，呈先提高后降低规律，平均粉尘浓度在Q3断面位置达到最大，分别为81.30mg/m3(工况一)、75.40mg/m3(工况二)和85.80mg/m3(工况三)。比较不同工况下相同断面平均颗粒浓度，工况二状态下，四个断面的粉尘平均浓度均达最低点，各浓度值具体为31.80mg/m3(Q1)、42.40mg/m3(Q2)、75.40mg/m3(Q3)和70.90mg/m3(Q4)。足见最优工况为工况二，就是说工程施工应用中，风管出口风速以13.5m/s的控制效果相对更好，以此才能获得掘进面附近最小的粉尘弥漫浓度。

4 结 语

本文依托交漳水电站工程案例，运用ICEM CFD有限元智能分析系统和欧拉-拉格朗日大涡两相流模拟模型，对引水洞施工排尘通风课题开展分析研究。通过进行水电引水洞风流场、压力场以及气固热有限元计算，对水电引水洞施工环境的粉尘颗粒运移过程进行欧拉-拉格朗日大涡两相流模拟分析，得出结论：水电引水洞施工中，送风管的出口风速以13.50m/s控制效果较好。