(山西省東山供水工程建設(shè)管理局，山西 太原 030000)

1 案例模型及重點(diǎn)參數(shù)簡(jiǎn)介

交漳水電站地處山西省晉中市左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河干流上，控制流域面積3230km2，是山西省開(kāi)發(fā)邊界水規(guī)劃的大型水利工程之一，屬于典型的長(zhǎng)引水洞引水式電站工程，由于上部埋深大，引水洞施工只能采用風(fēng)管壓入式通風(fēng)。該引水洞的洞徑為13m，設(shè)在引水洞頂部的通風(fēng)管直徑為2m。本研究依據(jù)550m處的爆破掘進(jìn)面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，典型化引水洞出口、橫通道和爆破掘進(jìn)面，應(yīng)用ICEM CFD系統(tǒng)的六面體網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)分析功能，建立模擬200m長(zhǎng)度的單體引水洞分析模型。依據(jù)模擬分析設(shè)計(jì)，分別在距離爆破掘進(jìn)面105m、85m、65m、45m和25m處，設(shè)置編號(hào)為P5、P4、P3、P2和P1的風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。引水洞現(xiàn)場(chǎng)、ICEM CFD網(wǎng)格化分析計(jì)算模型以及測(cè)點(diǎn)時(shí)均風(fēng)速剖面云圖見(jiàn)圖1，風(fēng)速計(jì)分辨率及其測(cè)量范圍參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 案例引水洞現(xiàn)場(chǎng)及相關(guān)分析模型

表1 風(fēng)速計(jì)分辨率及其測(cè)量范圍

表2 引水洞內(nèi)平均風(fēng)速實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)看到，斷面風(fēng)速各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)均模擬值吻合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，其中最小誤差值為2%，最大誤差值為8.5%，平均誤差值在5.14%?？梢?jiàn)模擬數(shù)值結(jié)果跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果差異不大，表明所依據(jù)模型有較好的準(zhǔn)確性，適合于本引水洞施工的通風(fēng)模擬研究。

2 風(fēng)流場(chǎng)壓力場(chǎng)及氣固熱計(jì)量

2.1 風(fēng)流場(chǎng)計(jì)量

2.1.1 三維風(fēng)流場(chǎng)

風(fēng)管射出風(fēng)流后，受到引水洞壁面約束而受限形成紊動(dòng)射流。在切應(yīng)力的作用下，射流帶動(dòng)周邊空氣流動(dòng)，形成若干不同的渦旋。掘進(jìn)面阻擋射流而使其沿掘進(jìn)面底部返折，這樣在掘進(jìn)面附近大范圍內(nèi)形成一個(gè)回流區(qū)。之后風(fēng)流沿交通洞及引水洞運(yùn)移，經(jīng)交通洞口最終排出，完成一次引水洞循環(huán)通風(fēng)。掘進(jìn)面局部及引水洞整體風(fēng)速矢量及細(xì)部發(fā)展結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 掘進(jìn)面局部及引水洞整體風(fēng)速矢量圖 (單位：m/s)

圖3 引水洞局部的風(fēng)速發(fā)展矢量圖 (單位：m/s)

由圖3局部③可以看到，風(fēng)流在引水洞的橫通道，部分進(jìn)入通道中形成橫通道空氣流通。局部②是交通洞與引水洞連接位置，風(fēng)流分成兩股，繼續(xù)分別沿1號(hào)和2號(hào)支洞前行；在引水洞拐角處風(fēng)流形成一個(gè)局部回流區(qū)，意味有害氣體和粉塵容易在此處發(fā)生聚積。局部①揭示，風(fēng)流矢量多指向洞口，無(wú)明顯渦旋存在于交通支洞內(nèi)，表明風(fēng)流向引水洞出口平穩(wěn)發(fā)展。

2.1.2 掘進(jìn)面附近風(fēng)流場(chǎng)

施工多集中于掘進(jìn)面附近，此區(qū)域排塵通風(fēng)效率工程意義更大。本案例研究，距離掘進(jìn)面30m處為風(fēng)管出口，掘進(jìn)面區(qū)域多湍流脈動(dòng)，故須重點(diǎn)關(guān)注掘進(jìn)面區(qū)域的動(dòng)態(tài)風(fēng)流發(fā)展過(guò)程。掘進(jìn)面區(qū)域風(fēng)場(chǎng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 掘進(jìn)面區(qū)域風(fēng)場(chǎng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)

圖4為2號(hào)引水洞掘進(jìn)面附近T=1s、3s、7s時(shí)點(diǎn)，風(fēng)流沿中心縱剖面的矢量圖。右端是風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口，左端是開(kāi)挖掘進(jìn)面。可以看到，離開(kāi)風(fēng)管的射流與周?chē)諝饣鞊綇?qiáng)烈，射流核心的下上邊緣都有若干小渦旋隨機(jī)形成。下方存在一個(gè)大尺度渦旋，射流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)間演進(jìn)而向掘進(jìn)面推進(jìn)。T=7s時(shí)點(diǎn)，該射流抵達(dá)掘進(jìn)面，之后生成一個(gè)位置相對(duì)穩(wěn)定的大尺度渦旋，進(jìn)而生成掘進(jìn)面區(qū)域回流區(qū)。核心射流上下邊緣由于存在小尺度渦旋，呈現(xiàn)不規(guī)則波浪態(tài)，體現(xiàn)湍隨機(jī)脈動(dòng)特性。時(shí)均縱向風(fēng)速典型高度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 時(shí)均縱向風(fēng)速典型高度分布曲線(xiàn)

圖5綠色曲線(xiàn)揭示，在風(fēng)管軸線(xiàn)高度上和15m距離內(nèi)，13.5m/s風(fēng)流基本保持風(fēng)速不變，而再向前運(yùn)動(dòng)15m后，則風(fēng)速很快減小，抵達(dá)掘進(jìn)面后則降為0值。引水洞軸線(xiàn)(藍(lán)色曲線(xiàn))高度上，風(fēng)速始終線(xiàn)性降低，且距離掘進(jìn)面越近，則風(fēng)速越低。呼吸道高度(紅色曲線(xiàn)，z=1.5m)上，風(fēng)速基本多為負(fù)值，大小在0～-2m/s之間發(fā)展，平均值為-0.91m/s，可見(jiàn)通風(fēng)效果良好。

2.2 壓力場(chǎng)計(jì)量

當(dāng)r分別為1s、3s、5s、10s，即處于通風(fēng)初始階段時(shí)，掘進(jìn)面區(qū)域瞬時(shí)壓力場(chǎng)變化情況存在一定的規(guī)律性特點(diǎn)，見(jiàn)圖6。通過(guò)分析觀(guān)察可知，r為1s、3s、5s、10s時(shí)，瞬時(shí)壓力場(chǎng)最大值并未發(fā)生較大變化，即一直出現(xiàn)于射流前端，瞬時(shí)壓力最大值分別為47Pa、32Pa、26Pa、34Pa；而瞬時(shí)壓力場(chǎng)最小值同樣未發(fā)生變化，出現(xiàn)于射流核心上下邊緣處，瞬時(shí)壓力最小值分別為-12Pa、-24Pa、-21Pa、-7.7Pa。壓力場(chǎng)最大值、最小值的分布位置變化規(guī)律與風(fēng)流場(chǎng)發(fā)展過(guò)程十分相似，即隨著時(shí)間增加，距掘進(jìn)面距離越來(lái)越短。當(dāng)r為10s時(shí)，掘進(jìn)面開(kāi)始與射流接觸，而最大風(fēng)壓仍處于掘進(jìn)面之上，其值為33.8Pa。

當(dāng)r為600s時(shí)，雷諾時(shí)均模擬、大渦模擬所得到的風(fēng)壓云圖存在較大差別，見(jiàn)圖7。RANS結(jié)果顯示，掘進(jìn)面周?chē)膲毫Ψ植甲兓^小，已經(jīng)初步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓力值也基本趨于穩(wěn)定，變化十分微小，并且負(fù)壓已經(jīng)完全消失，壓力最大值、最小值分別為18.9Pa、0。LES可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)信息的實(shí)時(shí)捕捉，因而壓力場(chǎng)分布狀況存在較大的波動(dòng)，并且負(fù)壓仍未消除，壓力最大值、最小值分別為52Pa、-12.7Pa。另外，LES可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)信息捕捉功能，因此基于RANS得到的正風(fēng)壓最大值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于LES所得值，即18.9Pa<52.0Pa。

圖6 通風(fēng)初始階段瞬時(shí)壓力場(chǎng)云圖 (單位：Pa)

圖7 T=600s時(shí)點(diǎn)LES與RANS所得風(fēng)壓分布云圖對(duì)比 (單位：Pa)

2.3 氣固熱交換計(jì)量

當(dāng)r分別為3s、5s、10s、20s，即處于通風(fēng)初始階段時(shí)，引水洞內(nèi)溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化大渦模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 通風(fēng)3s、5s、10s、20s時(shí)點(diǎn)溫度云圖 (單位：K)

對(duì)圖8進(jìn)行仔細(xì)觀(guān)察與對(duì)比分析可知，風(fēng)管中的低溫氣體流出之后，會(huì)與周?chē)諝庵苯咏佑|，并進(jìn)行劇烈摻混，產(chǎn)生熱交換現(xiàn)象，而高溫氣體也會(huì)立即進(jìn)入引水洞內(nèi)，并與引水洞內(nèi)壁發(fā)生持續(xù)氣固熱交換。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間分別為3s、5s時(shí)，掘進(jìn)面仍未受到低溫射流的作用，其溫度在短時(shí)間內(nèi)仍維持在303K左右，由于風(fēng)管出口最先通過(guò)低溫射流，因此風(fēng)管出口部位降溫最快。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到10s之后，低溫風(fēng)流與掘進(jìn)面開(kāi)始接觸，并發(fā)生氣固熱交換，掘進(jìn)面溫度也開(kāi)始下降，但是溫度降速十分緩慢，一般為0.5K左右。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到20s后，氣固熱交換已經(jīng)持續(xù)一段時(shí)間，掘進(jìn)面周?chē)諝獾玫嚼鋮s，溫度為298K左右，而掘進(jìn)面溫度也降低至302K，掘進(jìn)面邊角位置的降溫速率、降溫幅度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中心區(qū)域。

與通風(fēng)初始時(shí)點(diǎn)相比較而言，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到60s時(shí)，引水洞、橫通道交叉口位置的溫度發(fā)生了較大的變化，見(jiàn)圖9。對(duì)風(fēng)溫云圖進(jìn)行觀(guān)察分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通風(fēng)時(shí)間為60s時(shí)，引水洞內(nèi)進(jìn)入了大量的冷風(fēng)與低溫氣體，而高溫氣體也逐漸沿洞壁向橫通道岔口附近轉(zhuǎn)移。橫通道內(nèi)冷空氣、高溫氣體會(huì)發(fā)生劇烈的熱交換現(xiàn)象，進(jìn)而造成橫通道內(nèi)的溫度在短時(shí)間內(nèi)快速升高，即從最初的293K升高至296K。

圖9 通風(fēng)60s時(shí)點(diǎn)橫通道附近風(fēng)溫分布 (單位：K)

通風(fēng)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，則高溫氣體在冷空氣的“逼迫”之下逐步向引水洞出口轉(zhuǎn)移，其具體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移過(guò)程見(jiàn)圖10。對(duì)圖10進(jìn)行觀(guān)察對(duì)比可知，當(dāng)r由2min延長(zhǎng)至4min時(shí)，熱空氣與掘進(jìn)面之間的距離也逐漸拉大，即由70cm變?yōu)?0cm；當(dāng)r為10min時(shí)，高溫氣體便運(yùn)動(dòng)至引水洞中間位置，與掘進(jìn)面之間的距離達(dá)到300m，掘進(jìn)面最高溫度也急劇下降，為298K左右。

圖10 高溫氣體向引水洞出口運(yùn)移的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程 (單位：K)

此結(jié)論表明，由于施工通風(fēng)的作用，高溫氣體被逐漸驅(qū)散，掘進(jìn)面溫度也緩慢降低，施工通風(fēng)方式可以有效降低引水洞內(nèi)部溫度。另外，由于引水洞內(nèi)部冷空氣、熱空氣同時(shí)存在，并且這兩種溫度不同的空氣存在密度差異，因此導(dǎo)致密度異重流狀況產(chǎn)生(見(jiàn)圖10中的虛線(xiàn)放大圖)。

根據(jù)本文研究分析需求，在引水洞內(nèi)部分別取距離掘進(jìn)面10m(x=540m)、20m(x=530m)、30m(x=520m)的平行截面，再加上掘進(jìn)面(x=550m)，構(gòu)成四組平行橫截面，對(duì)四組平行面上的溫度隨時(shí)間變化狀況進(jìn)行全方位、多層面的剖析，結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 掘進(jìn)面區(qū)域的溫度狀態(tài)曲線(xiàn)

對(duì)圖11進(jìn)行對(duì)比觀(guān)察可知，當(dāng)處于通風(fēng)初始階段時(shí)，掘進(jìn)面溫度、掘進(jìn)面周?chē)L(fēng)溫基本保持相同，即為303K；當(dāng)通風(fēng)正式開(kāi)始之后，四條溫度曲線(xiàn)均開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并展現(xiàn)出先快后慢的特點(diǎn)。掘進(jìn)面壁溫的下降速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他三個(gè)截面，這是因?yàn)闅怏w與固體間的熱交換速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣體與氣體間的熱交換速率。當(dāng)t為60s時(shí)，掘進(jìn)面溫度下降了3K，即為300K，而另外三個(gè)截面的溫度卻降低了7K，即為296K。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間達(dá)到300s之后，掘進(jìn)面平均風(fēng)溫為304K，并且下降速度十分緩慢，而另外三個(gè)截面的平均風(fēng)溫降低至293K左右，但是隨著時(shí)間的推移，基本不會(huì)再產(chǎn)生較大變化。當(dāng)通風(fēng)20min之后，掘進(jìn)面溫度為293K，施工溫度已經(jīng)完全符合要求。

3 粉塵顆粒運(yùn)移過(guò)程分析

在引水洞掘進(jìn)面爆破、噴射混凝土等工序都要產(chǎn)生大量粉塵。粒徑小于5μm的呼吸性粉塵對(duì)施工人員危害甚大。本節(jié)采用Euler-Lagrange模型，探究大渦狀態(tài)下，引水洞施工塵粒動(dòng)態(tài)運(yùn)移和彌散特性。

3.1 洞內(nèi)顆粒動(dòng)態(tài)運(yùn)移

顆粒從掘進(jìn)面釋放后，時(shí)點(diǎn)為10s、15s、20s和30s條件的粉塵顆粒洞內(nèi)分布演變見(jiàn)圖12。顆粒不同速度表現(xiàn)為圖中的不同顏色。

圖12 粉塵顆粒洞內(nèi)分布演變 (單位：m/s)

分析結(jié)果顯示，通風(fēng)的前幾秒，掘進(jìn)面中下部與頂部分別有兩個(gè)主要渦旋形成。t=10s時(shí)點(diǎn)，在渦旋影響下，氣流分成兩組，分別沿引水洞中下部和頂部運(yùn)移顆粒簇；t=15s時(shí)點(diǎn)，三維湍流脈動(dòng)促使顆粒向引水洞擴(kuò)散；t=20s和30s時(shí)點(diǎn)，顆粒群繼續(xù)向引水洞中部運(yùn)移，顆粒簇在湍流隨機(jī)脈動(dòng)作用下彌散開(kāi)來(lái)，向引水洞全斷面分布。顆?？臻g分布隨通風(fēng)時(shí)間推移而展現(xiàn)出隨機(jī)性與三維性。可見(jiàn)，顆粒從掘進(jìn)面釋放后，初始以顆粒簇狀態(tài)聚集，隨后均勻彌散分布于引水洞全斷面，形成對(duì)引水洞全斷面的粉塵污染。引水洞橫道顆粒彌散狀態(tài)見(jiàn)圖13。

圖13 引水洞橫道顆粒彌散 (單位：m/s)

粉塵顆粒在釋放60s后飄移到橫道位置(見(jiàn)圖13)，經(jīng)岔口有少量粉塵涌入橫道，形成橫道內(nèi)粉塵污染。粉塵顆粒進(jìn)入橫通一般會(huì)滯留很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)闄M道內(nèi)湍流活動(dòng)較弱，風(fēng)速較小。處置橫道粉塵污染顯然須額外采取降塵措施才行。

3.2 洞內(nèi)顆粒濃度變化

圖14展示的是隨時(shí)間的兩交通洞引水洞出口的排塵率變化曲線(xiàn)。曲線(xiàn)揭示顆粒群隨通風(fēng)時(shí)間增加不斷移向引水洞出口。排塵率在1900s時(shí)點(diǎn)之前始終為零，意味粉塵顆粒在該時(shí)點(diǎn)之前還沒(méi)有抵達(dá)引水洞出口處；但該時(shí)點(diǎn)后，顆粒不斷從引水洞出口排出，排塵率隨時(shí)間增加亦逐漸攀升。在4600s時(shí)點(diǎn)，引水洞出口的排塵率幾乎達(dá)到100%，意味粉塵顆粒絕大多數(shù)已經(jīng)排出洞口。

圖14 引水洞出口隨時(shí)間變化的排塵率曲線(xiàn)

典型區(qū)間250～550m段，典型時(shí)點(diǎn)1min、5min以及10min的引水洞顆粒濃度沿程分布曲線(xiàn)。

3.3 風(fēng)管出口風(fēng)速的影響

選取10m/s、13.5m/s和15m/s風(fēng)管出口三種不同風(fēng)速工況，對(duì)比通風(fēng)1min時(shí)點(diǎn)三種工況掘進(jìn)面近域粉塵濃度的分布狀態(tài)。為了方便對(duì)比，特別統(tǒng)一設(shè)置各圖色條區(qū)間在0～300mg/m3范圍。掘進(jìn)面附近基于不同風(fēng)速的粉塵濃度對(duì)比云圖見(jiàn)圖15。

圖15 掘進(jìn)面附近基于不同風(fēng)速的粉塵濃度對(duì)比云圖 (單位：mg/m3)

由圖15可以看到，基于三種工況的計(jì)算結(jié)果相互類(lèi)似，顆粒均彌漫于掘進(jìn)面80m附近區(qū)域，濃度狀態(tài)呈現(xiàn)了較大的隨機(jī)性。其中，10m/s工況與15m/s工況所得掘進(jìn)面附近濃度的分布更為接近；區(qū)別僅在于15m/s工況所得掘進(jìn)面附近顆粒濃度較10m/s工況低，但在遠(yuǎn)離掘進(jìn)面位置，15m/s工況所得顆粒濃度高于10m/s工況計(jì)算所得。13.5m/s工況所得粉塵濃度值較10m/s工況明顯低?？傮w看13.5m/s工況下，引水洞掘進(jìn)面排塵通風(fēng)的效果相對(duì)更理想。

分別在距掘進(jìn)面10m、20m、30m及40m選取引水洞典型橫斷面，分別記為Q1、Q2、Q3及Q4。以通風(fēng)1min時(shí)點(diǎn)，對(duì)比不同工況下引水洞橫斷面粉塵顆粒平均濃度，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 典型斷面三種工況下的平均顆粒濃度

由表3可以看到，隨斷面距掘進(jìn)面距離增加，斷面平均粉塵顆粒濃度三種工況下，呈先提高后降低規(guī)律，平均粉塵濃度在Q3斷面位置達(dá)到最大，分別為81.30mg/m3(工況一)、75.40mg/m3(工況二)和85.80mg/m3(工況三)。比較不同工況下相同斷面平均顆粒濃度，工況二狀態(tài)下，四個(gè)斷面的粉塵平均濃度均達(dá)最低點(diǎn)，各濃度值具體為31.80mg/m3(Q1)、42.40mg/m3(Q2)、75.40mg/m3(Q3)和70.90mg/m3(Q4)。足見(jiàn)最優(yōu)工況為工況二，就是說(shuō)工程施工應(yīng)用中，風(fēng)管出口風(fēng)速以13.5m/s的控制效果相對(duì)更好，以此才能獲得掘進(jìn)面附近最小的粉塵彌漫濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依托交漳水電站工程案例，運(yùn)用ICEM CFD有限元智能分析系統(tǒng)和歐拉-拉格朗日大渦兩相流模擬模型，對(duì)引水洞施工排塵通風(fēng)課題開(kāi)展分析研究。通過(guò)進(jìn)行水電引水洞風(fēng)流場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及氣固熱有限元計(jì)算，對(duì)水電引水洞施工環(huán)境的粉塵顆粒運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行歐拉-拉格朗日大渦兩相流模擬分析，得出結(jié)論：水電引水洞施工中，送風(fēng)管的出口風(fēng)速以13.50m/s控制效果較好。