天成彩票 TCG彩票天成彩票 TCG彩票白鹤滩水电站夹墙风管通风流动特性的模 型试验研究 ☆1v △ 重庆大学 郭敏 肖益民 梁艳梅 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 徐蒯东 章程 摘要：水电站发展建设迅速，夹墙风管对地下水电站厂房内的空气环境质量有着重要的 作用。考虑了受岩壁锚索等土建因素影响而造成的夹墙风管通风不利现象，根据相似理论建 立了白鹤滩水电站某夹墙风管的通风流动特性试验模型和相关的解决方案模型，介绍了该模 型试验系统的组成和测试方法，通过实验论证了解决方案的可行性，并分析了夹墙风管中风 机的不同安装位置对系统风量的影响，为夹墙风管应对岩壁锚索布置影响的设计提供了新思 路，为以后地下水电站建设提供参考。 关键词：夹墙风管 水电站地下厂房 相似模型试验 岩壁锚索 Model experiment study on ventilation flow characteristics of clip wall air channel at the Baihetan hydropower station By Guo Min★, Xiao Yimin, Liang Yanmei, Xu Kuaidong and Zhang Cheng Abstract:Recent years have witnessed the rapid development and construction of hydropower stations, and clip wall air channel has played an important role in the air environment quality in underground hydropower station plants. This paper considered the adverse effects of ventilation in clip wall air channel caused by civil engineering such as the uneven rock wall and anchor cable, established experimental models for flow characteristics and related solutions of a certain clip wall air channel at the Baihetan hydropower station based on the similarity theory, presented the composition of the model system and the testing method, demonstrated the feasibility of solutions by model experiments, and analyzed the effect of different installation positions of the fan in clip wall air channel. New ideas were provided for the design of clip wall air channel influenced by rock wall and anchor cable. What ’s more, it provided reference for the underground hydropower station construction in the future. Keywords:clip wall air channel, underground hydropower station plants, similar model experiment, rock wall and anchor cable ★ Chongqing University, Chongqing, China 1 作者简介：郭敏 （1995.2— ），女，在读硕士研究生，E-mail: 1311594884@ 通讯作者：肖益民 （1974.2— ），男，教授，博导，E-mail: 。中国电建集团华东 勘测设计研究院有限公司科研项目“ 白鹤滩水电站超大型复杂通风空调系统气流交互及网络平衡优化研究” 资助，国家自然科学基金项目）资助。 0 引言 白鹤滩水电站位于我国西南，电站装机容量16000MW，是世界上规模最大的地下厂 房水电站，厂内电力设备设施系统复杂，对社会经济运行影响大，其运行安全和可靠性要 求高。因此地下厂房内的热湿环境需要可靠高效的通风空调系统来保障，以确保设备运行 的安全。地下水电站的工艺过程基本相同，厂房布置和通风流程也具有很多共性，地下厂 房主要分 为三大部分：主厂房、主变洞及连接它们的母线洞。送风分别进入主厂房和主变洞， 然后采用多层串联通风方式[1-3] 。 夹墙风管是水电站地下厂房通风网络中的主要通风路径，承担着主厂房发电机层至中 间层及以下各层的空气输送和主变洞各层至主变拱顶通风层的排风作用，对厂房内的环境 有着重要的作用，被安装在水电站地下厂房墙壁与岩石之间的夹墙空间中。由于存在对岩 壁支护的锚索[4]和施工时的超挖、欠挖情况，导致夹墙空间中岩壁一端凹凸不平，使得原 本就很狭窄的空间对风管造成不利因素，最终因岩壁锚索影响而产生夹墙风管通风跑冒漏 堵等现象。因此，本文通过相似模型试验研究夹墙风管的流动特性并探寻受岩壁锚索影响 的解决方案。 1 夹墙风管概况 主厂房与主变洞中存在40 种不同尺寸的夹墙风管，但它们具有相同的结构：包含两个 风口、两个转弯和一段竖直管，其中竖直管的长度因风管连接的两个空间的位置不同而不 同，立管安装于水电站厂房的墙壁与岩体之间的夹墙空间中，两个风口分别安装在厂房的 不同空间以输送空气，进出风口处的墙壁上安装有蛋格式风口，其中有一个风口处安装风 机，处于 厂房墙体与地下岩体之间狭长的夹墙空间中。而锚索用于支护岩体，其索头也在 夹墙空间中[5] ，综合考虑夹墙风管的尺寸和锚索的形式和布置情况，在此将锚索与夹墙风 管的投影位置关系进行分类，有三种情况： a.锚索投影在夹墙风管内；b.锚索投影在夹墙 风管边界上；c.锚索投影在夹墙风管外。详细的投影位置关系见下图1。 以发电机层至中间层的夹墙送风管为例，并参考土建专业锚索布置资料图（主厂房中 锚索呈3.8m×3.6m 矩形布置），夹墙风管的结构形式及风管与锚索的投影位置关系如图2 所示。 实际工程中，由于锚索索头外露在夹墙空间中，再加上岩体开挖使得夹墙空间一侧的 岩壁表面不平整，最终可能由于其二者之一或共同作用造成本来就很狭长的夹墙空间宽度 B 更小，从而可能使安装的夹墙风管与凸出的岩壁或锚索接触，甚至被挤压，产生局部变 形，从而使得通风产生跑冒漏堵等现象；又加上夹墙风管安装位置的特殊性，导致风机与 弯头的位置极近，因此，本文用相似模型试验探索研究受岩壁锚索等土建因素影响的夹墙 风管的解决方案，并研究风机安装位置对夹墙风管系统流动特性的影响。 图1 白鹤滩水电站锚索与夹墙风管投影关系图 图2 夹墙风管安装布置与锚杆的相对位置投影关系图 2 试验系统的设计和测试方法 2.1相似原理 相似理论是模型实验的理论依据。在几何相似的前提下，动力相似是运动相似的表 现。待研究的问题为水电站夹墙通风时风管的流动特性，属于压差作用下粘性力控制的流 动问题，重力对流动没有显著的影响，压力是粘性力和惯性力的合成，欧拉数是被动的， 故应采用雷诺准则数作为相似判别的依据，即使用雷诺模型律 （流动进入紊流粗糙区）进 行相似模型试验设计。流动阻力系数主要取决于流动系统的几何形状、Re 数、边界粗糙度 和边界对流动的干扰，紊流条件下Re 数的影响甚微，当管内流动当流动状态变为紊流 后，很快就进入紊流粗糙区，即当Re

　　4000 时，夹墙风管内流体流动已进入紊流粗糙区 [6,7] ，由于原型风管流动处于紊流粗糙区，因此，只要保证模型和原型的几何相似，并且使 模型风管流动处于紊流粗糙区，即可实现流体流动相似。 2.2 解决方案的提出 针对受岩壁锚索等土建因素影响而使夹墙风管可能发生变形而产生的通风时跑冒漏堵 现象，提出一种方案以使夹墙风管尽可能地避开锚杆的影响。根据锚索与夹墙风管的投影 位置关系，针对竖直方向上锚杆外露部分可能对风管产生挤压变形，现拟采取改变设计风 管尺寸的方案，即减小夹墙风管的b 1 而保持W 和b0 不变，通过将风管整体压扁的措施来 躲避因受岩壁锚索影响而产生的夹墙风管变形问题，因为将风管在夹墙空间中b1 方向的尺 寸减小，可以尽可能少的占用夹墙空间，从而为外露的锚索和岩壁的欠挖等施工因素提供 空间，使夹墙风管不受上述因素的影响而产生挤压变形。通过研究改变尺寸后的风管的阻 力特征，通过其系统风量的输出，来验证其是否能满足设计要求。 2.3模型试验系统和试验方法 2.3.1 模型试验系统设计 水电站地下厂房中夹墙风管的形式一致，但尺寸大小繁多，综合考虑到时间、人力和 各种成本等因素，现选取主厂房中竖直段长宽比最大的发电机层至中间层的夹墙送风管 （W/b1=8.0）作为相似模型试验的原型进行试验系统的设计，其主要尺寸为W=4000mm ， b 1=500mm，b0=800mm ，L=8.9m 。根据试验场地的限制和可选择的风机尺寸，采用的几何 比例尺为1:2。压扁方案中，考虑到风管模型的制作和实际工程中风管截面的长宽比，在 b1 方向上压扁20%、30%和40% ，压扁后竖直段截面的长宽比W/b1 ’分别为10.0、11.4 和 13.3。 至于风机安装位置对夹墙风管系统流动特性的影响，通过在出风口处加长直管段来改变 图3 对应原型的模型风管和压扁后的模型风管图（单位：mm） 风机的安装位置。原型风管中风机安装位置离出风口的弯头比较近，为了使管内流动流出局 部构件——弯头后具有均匀的流速分布与脉动强度，考虑到试验场地的限制，现确定加长的 直管段长度分别为2de=0.9m 和7.2de=3.2m ，其中de 为夹墙风管竖直段的当量直径。 图4 改变风机安装位置的模型图（单位：mm） 管内流动在紊流粗糙区（阻力平方区），相对粗糙度对夹墙风管的通风流动阻力影响很 小，采用 1.0mm 厚的镀锌铁皮作为风管材料。蛋格式风口按照水电站中蛋格风口的格栅间 距进行定做。为了使风机工况可以调节，以便在多种工况下对比验证压扁方案和改变风机位 置对系统造成的影响，出风口的四台风机并联安装并可单独控制，同时安装一台调压器对风 机的运行工况进行调节，其中风机运行工况考虑五种，分别是电压为220V 时全开、开3 台、 开2 台，电压为160V 全压及电压为 125V 全开，下文为了表述方便，风机运行的五种工况 分别为开4 台、3 台、2 台、160V 和 125V 。由前文分析可知，夹墙风管是地下厂房通风网 络中的主要通风路径，主要作用是输送厂房内的空气从而保证室内空气质量以确保设备运行 环境的安全，因此对压扁方案的可行性以及风机安装位置造成的影响的论证是通过夹墙风管 系统风量来衡量的。 图5 模型试验系统现场图 2.3.2 试验方法与仪器 根据上节，对压扁方案效果的评价以及风机安装位置的影响是通过系统风量来衡量 的，本试验采用测试断面风速的方法来计算系统风量。试验要求尽量减少气流扰动对测量 结果的影响，应尽可能选在气流分布均匀稳定的直管段，避开产生涡流的局部阻力构件 （如弯头、 三通、变径管及阀门等），模型风管中将测量断面选择在两个弯头之间的直管段上，距离进 [8] 风弯头2.65m （6de ）处 。 为了确保准确性，本试验采用四种不同的仪器来测量风管断面风速，分别是多点风速 仪、热球风速仪探头和testo480 多功能测试仪结合、testo425 、毕托管和testo480 多功能测 试仪结合。测试断面上的测点分布如下图6 。 图6 对应原型的模型风管测量断面测点布置图（单位：mm） 多点风速仪测试风速时，先对四个探头进行校核，校核完毕后，对断面上的8 个测点 进行测量，测量数据通过电脑自动采集，相邻两个数据的采集时间间隔为 1s，每个测点的 测试值为采集120 个数据的平均值，最后取8 个测点的平均速度为该断面的气流速度。相 同方法测试3 次，以减小随机误差。 热球风速仪探头和testo480 多功能测试仪结合对断面风速测量时，对断面上的24 个测 点逐个测量，测量数据通过电脑自动采集，相邻两个数据的采集时间间隔为1s，每个测点 的测试值为采集120 个数据的平均值，最后取24 个测点的平均速度为该断面的气流速度。 Testo425 测试断面风速时，对断面上的24 个测点逐个测量，此仪器的测量数据不能用 电脑自动采集，因此采用手动记录的方法，每10s 记录一下这段时间内采集数据的平均 数，连续记录5 个数求平均即为一个测点的速度，取24 个测点的平均速度为该断面的气流 速度。 毕托管和testo 480 多功能测量仪结合测试断面风速是通过用毕托管来测试全压和静 压，进而计算出风速。全压的测量，是将testo 480 多功能测量仪压差接口正极与标准毕托 管直通连接口通过硅胶管连接，负极通过胶管连接到一固定位置，标准毕托管测试口正对 气流方向，对测量断面上24 个测点逐个进行测量，testo 480 多功能测量仪每隔2s 记录一 个数据，取10s 内的平均全压作为该测点的全压，最后取24 个测点的平均全压为该断面的 全压；测点静压的测量，是将testo 480 多功能测量仪压差接口正极与标准毕托管旁通连接 口通过硅胶管连接，其他与全压的测量相同，可测量出断面的静压。 3 试验结果及分析 3.1 不同测速仪器的测试结果对比 用四种不同的测速仪器对系统2000mm×250mm×400mm 同一断面风速的测试结果如 表1 所示，其中测试断面的设计尺寸为2000mm×250mm 。 表1 风机在弯头处不同工况下四种仪器测试结果表（m/s ） 风机运行工况 测试仪器 4 台 3 台 2 台 160V 125V 多点风速仪 1.53 1.07 0.67 1.07 0.76 热球风速仪 1.47 1.06 0.71 1.08 0.8 testo425 1.49 1.08 0.72 1.09 0.82 毕托管 1.66 1.07 0.81 1.14 0.7 注：表中测量温度变化范围为12℃~ 13℃，大气压力为1002.3hPa 。 2.00 ) s / 1.50 m 多点风速仪 ( 度 1.00 速 热球风速仪 面 断 0.50 testo425 0.00 毕托管 4台 3台 2台 160V 125V 风机运行工况 图7 风机在弯头处不同工况下四种仪器测试结果 从试验结果可以得出，任一工况下由毕托管测出的速度值普遍比多点风速仪、热球风 速仪和testo425 测出的值大，且后三者测出的值较接近，以多点风速仪测出的数值为基 准，偏差率绝对值均维持在10%以内（最大为8.50% ）。考虑到试验的时间和测试人员等现 实因素，其他尺寸的夹墙风管只采用多点风速仪来测试断面风速进而计算得到系统风量， 为了减小随 机误差，对同一种工况重复测试3 次。下文的系统风量均是断面风速乘以断面面积，其中 断面风速是由多点风速仪测试三次的平均值计算得到的，断面面积为制作的模型风管的实 际尺寸，与设计尺寸有稍许偏差。 3.2 压扁前后系统风量对比 风机安装位置在弯头处时，分别测试对应原型的模型风管、压扁20%、30%和40% 的模 型风管的系统风量，测试结果如下图8。以对应原型的模型风管为基准，计算压扁后的风 量偏差率，如下表2 。 3000 ) 2500 h / 3 ^ 2000 m 对应原型 ( 1500 量 风 1000 压扁20% 统 压扁30% 系 500 压扁40% 0 4台 3台 2台 160V 125V 风机运行工况 图8 压扁前后系统风量对比图 表2 压扁后的模型风管系统风量变化率（%） 风机运行工况 试验模型 4 台 3 台 2 台 160V 125V 压扁20% 1.29 3.76 7.87 1.67 1.96 压扁30% -1.96 6.54 6.47 7.17 13.16 压扁40% 1.04 8.85 19.32 5.88 10.06 从试验结果可以看出，在5 种运行工况下的任一工况，采用压扁方案后，系统风量几 乎不变，其变化率绝对值大都在10%以内。在工程允许误差范围内，可以认为压扁后的风 管对系统风量影响不大，即压扁方案可行。 3.3 风机在不同位置处对系统风量的影响 以对应原型的模型风管 （2000mm×250mm×400mm）为研究对象，风机安装位置分别 在出风口弯头处、加长直管段0.9m 处和加长直管段3.2m 处来改变风机的安装位置，在不 同的风机运行工况下测试系统风量，结果如下图9 。以对应原型的模型风管为基准，计算 改变风机位置后系统的风量变化率，如下表3 。 3000 ) 2500 h / 3 ^ 2000 m ( 1500 弯头 量 风 统 1000 直管段0.9m 系 500 直管段3.2m 0 4台 3台 2台 160V 125V 风机运行工况 图9 风机在不同安装位置时系统风量对比图 表3 改变风机位置的模型风管系统风量变化率（%） 风机运行工况 风机位置 4 台 3 台 2 台 160V 125V 直管段0.9m 3.27 2.80 2.99 4.67 0.00 直管段3.2m 1.31 3.74 1.49 1.87 0.00 从试验结果可以看出，在5 种运行工况下的任一工况，风机在三种不同的安装位置测 出的系统风量几乎相同，改变风机位置后，系统风量变化率绝对值在5% 以内（最大为 4.67% ）。在工程允许误差范围内，可以认为风机安装位置对系统风量影响不大。 4 结论 根据测试结果可得出以下结论：（1）对夹墙风管进行压扁时，系统风量几乎不变，以 后进行夹墙风管设计时，在施工安装允许的范围内，竖直段断面可以采取更大的长宽比来 适应岩壁锚索等土建因素的影响；（2 ）改变风机位置，夹墙风管系统风量几乎不变，说明 对于安装在弯头处的风机并不会形成很大的流动阻力，对系统阻抗影响不大。 本课题将在后续研究中，结合模型试验与CFD 数值模拟的方法，对更多尺寸的夹墙风 管的流动特性、压扁后系统风量几乎不变的原因和风机安装在弯头处的流场情况等进行更 深入的研究，以期为夹墙风管的设计提供新思路，解决受岩壁锚索等土建因素影响而产生 的通风跑冒漏堵问题，并为以后地下厂房中夹墙风管的设计提供参考。 参考文献 [1] 肖益民,林婷莹,徐蒯东.地下水电站主厂房通风空调系统设计风量的确定[J].暖通 空,2014,44(12):27-31. [2] 杨晓峰.仙游抽水蓄能电站地下厂房空调通风模型试验[D].西安建筑科技大学,2014 [3] 王旭.基于网络分析的水电站地下洞室群通风系统设计方法研究[D].重庆大学,2004. [4] 刘守君.锚杆支护原理及应用实践[J]. 有色金属(矿山部分),2009,61(03):19-20. [5] 柯贤栋,王云龙,贾瑞荣.锚杆和锚索外露长度的确定[J]. 科技情报开发与经 济,2012,22(01):156-157. [6] 周谟仁.流体力学泵与风机[M].第2 版.北京:中国建筑工业出版社,1985:123 [7] 王学华,周谟仁.水电站高窗厂房自然通风相似方法的研究[J].通风除尘,1987(02):1-5. [8] 李晓冬,王莉,王彪.空调通风管道的阻力性能测试分析[C]:全国暖通空调制冷2010 年学术年会论 文集,2010:118

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