之间的对流传热；
[0037] Pk为导体、外壳的功率损耗，WAm相）；
[0038] Qkf为外壳的福射散热；
[0039] Qkd为外壳和壳外空气的对流散热。
[0040] IPB本身的发热是由于导体和外壳的损耗造成的，导体和外壳直接存在对流、辐射 传热其机理较为复杂，因此需要模型进行以下简化：
[0041] (1)由于考虑到空气的热性能、黏度，因此考虑导体将100%热量传递给外壳，且 在导体的长度方向忽略导体本身和气体的损耗。
[0042] (2)在IPB垂直方向各段导体、壳体、洞壁只于本段物体发生热传导，各段之间无 热传导，忽略IPB导体、壳体材料的导热热阻。
[0043] 2) IPB竖井的物理模型
[0044] IPB竖井的物理模型如图1和图2所示，图1为IPB竖井剖面图图2为IPB竖井平 面图。IPB及其竖井可简化为圆柱形发热体置于竖井形成的封闭空间中，形成一个具有内热 源的受限空间换热模型。
[0045] 3) IPB竖井的数学模型
[0046] 地下电站IPB的散热问题是一个复杂的热量传递过程，如果采用传统方法求解， 不仅公式复杂，而且需要对数学模型做出大量简化和假设，必然造成计算结果偏离实际。随 着计算机技术的发展，对于复杂情况下采用数值计算方法进行求解可以大幅度提高计算精 度。
[0047] 具体步骤包括：
[0048] 1)根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，对竖井空间内每一个点的 热平衡状况建立控制方程：
[0049] 连续性方程：
⑴
[0050] 动量方程： m
[0051] 能量方程： (63)
[0052] 式中：u1:空气在垂直方向的平均速度分量；u j:空气在水平方向的平均速度分量； Xi:垂直高度：t :时间；P :空气密度；p :压力；V :层流粘滞系数；v t:紊流系数；g i:垂直方 向重力加速度；β :空气热膨胀系数；T :竖井入口处和出口处平均温度；T" :环境温度；T : 实际温度；r :广义扩散系数；I:辐射强度；
[0053] 2)对压力p的值进行假设，求解动量方程中的空气在垂直方向的平均速度分量 U1;
[0054] 3)通过计算得到的U1和连续性方程，对假设的压力p的值进行修正，使得出的空 气在垂直方向的平均速度分量U 1满足连续性方程；
[0055] 4)将修正后的压力p和空气在垂直方向的平均速度分量U1的值代入能量方程，求 解实际温度T ;
[0056] 5)重复步骤1)~4)直至计算出竖井内每一个点的实际温度T。
[0057] 其中，步骤1)的能量方程中，广义扩散系数Γ与普朗特数匕与σ τ存在下述关系 式：
[0058] Γ = v/Pr+vt/ σ τ
[0059] 式中：ν :层流粘滞系数；vt:紊流系数；σ τ:经验常数，取0. 9~I ;Ρ 普朗特数。
[0060] 普朗特数Pr可根据公式Pr = cpv/ λ求出，式中：Cp为定压比热容，λ为导热系 数。
[0061] 地下电站IPB散热问题的本质实际是有以内热源的非等温紊流换热、对外热辐射 综合作用下，在竖井受限空间内的空气的温度场、速度场达到相应平衡的过程。这种受限空 间内的气流是由经过IPB外壳加热产生的浮升力为动力的自下而上的热气流作用。数值模 拟模型采用考虑浮升力的K- ε双方程模型，壁面采用标准壁面函数法。应用SIMPLE算法 求解离散控制方程，离散方程采用QUICK格式以防止伪扩散，采用了多表面辐射（S2S)模型 进行辐射计算。
[0062] 辐射强度I的计算模型为：
[0063]
[0064] 式中：？：位置向量；s :垂直长度；方向向量；a :吸收系数；σ s:散射系数；n : 折射系数；σ :斯蒂芬一玻耳兹曼常数；T :实际温度；Φ :相位函数；Ω' ：空间立体角。空间 立体角Ω'、吸收系数a等参数是有模型结构和材料性质决定的。
[0065] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法，是通过对放置封闭母线的竖井 空间内的热平衡状况进行数理建模，从而计算出竖井内温度分布的过程，其特征在于具体 步骤包括： 1) 根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，对竖井空间内每一个点的热平 衡状况建立控制方程：式中：U1:空气在垂直方向的平均速度分量；Uj:空气在水平方向的平均速度分量；X 1: 垂直高度：t :时间；P :空气密度；P :压力；V :层流粘滞系数；vt:紊流系数；g i:垂直方向重 力加速度；0 :空气热膨胀系数；T :竖井入口处和出口处平均温度；T" :环境温度；T :实际 温度；r :广义扩散系数；I :辐射强度； 2) 对压力p的值进行假设，求解动量方程中的空气在垂直方向的平均速度分量U1; 3) 通过计算得到的U1和连续性方程，对假设的压力p的值进行修正，使得出的空气在 垂直方向的平均速度分量U 1满足连续性方程； 4) 将修正后的压力p和空气在垂直方向的平均速度分量U1的值代入能量方程，求解实 际温度T ; 5) 重复步骤1)~4)直至计算出竖井内每一个点的实际温度T。2. 根据权利要求1所述的地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法，其特征 在于：所述步骤1)的能量方程中，广义扩散系数F与普朗特数匕与〇 在下述关系式： r = v/Pr+vt/ 〇 T 式中：V :层流粘滞系数；Vt:紊流系数；〇 T:经验常数，取〇. 9~I ;P ^普朗特数。3. 根据权利要求1或2所述的地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法，其 特征在于：所述步骤1)的能量方程中，辐射强度I采用多表面辐射模型计算。4. 根据权利要求3所述的地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法，其特征 在于：所述辐射强度I的计算模型为：式中位置向量；s :垂直长度；^方向向量；a :吸收系数；〇s:散射系数；n :折射 系数；〇 :斯蒂芬一玻耳兹曼常数；T :实际温度；? :相位函数；Q' ：空间立体角。
【专利摘要】本发明公开了地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法，是通过对放置封闭母线的竖井空间内的热平衡状况进行数理建模，从而计算出竖井内温度分布的过程，具体步骤包括：1)根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，对竖井空间内的热平衡建立控制方程；2)对压力p的值进行假设，求解动量方程中的空气在垂直方向的平均速度分量ui；3)通过计算得到的ui和连续性方程，对假设的压力p的值进行修正；4)通过修正后的压力p修正平均速度分量ui，重复步骤1)～4)获得收敛解，从而获得竖井内详细温度场分布。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105138727
【申请号】CN201510437398
【发明人】邵建雄, 梁波, 郭建辉, 阳少华, 李光华, 刘茂祥
【申请人】长江勘测规划设计研究有限责任公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月23日