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引水隧洞施工通风模拟分析与施工方案优化研究

作　者: 张静
导　师: 钟登华
学　校: 天津大学
专　业: 工程管理
关键词: 引水隧洞爆破开挖施工期通风 CFD 开挖进尺全过程可视化动态仿真施工方案优化
分类号: TV52
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

引水隧洞爆破开挖施工过程是极其复杂的,施工方案的优化是一项重要的研究课题。施工期通风问题是制约施工进度的重要因素,需要先进的理论方法对通风过程进行计算分析,以达到制定合理施工组织方案的目的。本文融合水利水电工程科学、系统工程、地理信息系统和计算流体力学等多个交叉学科的先进理论方法与技术,提出了引水隧洞爆破开挖施工期通风CFD数值模拟分析方法和基于通风模拟的施工方案优化技术,主要获得了以下四项研究成果:(1)提出了基于CFD模拟的通风参数确定方法,建立了引水隧洞爆破开挖施工期通风数学模型。采用数学模型解析的方法得到了定量的施工期通风时间参数,克服了传统分析中通风时间参数依据定性工程类比和经验确定的弊端,为施工仿真和施工方案优化提供了理论基础。(2)建立了基于k-ε模型的三维非稳态拟单相流模型及三维非稳态两相流模型。在粉尘扩散模型的动量源项中考虑了相间曳力、升力和虚拟质量力的作用,在CO运移模型的动量方程中考虑了浮力的影响。利用拟单相流模拟粉尘在开挖进尺为50m的引水隧洞内的迁移,其趋势和速度与两相流模型的模拟结果基本一致,通风达标时间也接近。因此,本文采用拟单相流模型对引水隧洞爆破过程中粉尘扩散和CO运移进行模拟,对模型进行了可靠性分析。(3)提出了基于CFD通风数值模拟的施工方案优化技术。在CFD通风数值模拟的基础上,集可视化仿真技术、网络计划分析与优化技术于一体,建立了引水隧洞爆破开挖施工全过程可视化动态仿真模型,为综合分析施工工期、施工强度、交通运输以及各工序之间的相互联系和制约,进而进行施工方案的优化提供了有效的技术手段。(4)以某水电站引水隧洞爆破开挖施工期通风为实例,模拟了不同开挖进尺的引水隧洞施工通风过程,分析了风流、风压、CO浓度分布和粉尘浓度分布规律,并采用数据拟合的方法得到通风时间与开挖进尺之间的关系;基于优化的通风时间,应用仿真技术深入研究了引水隧洞爆破开挖施工仿真与进度优化,获得了合理的施工工期、优化的施工进度以及施工强度等重要参数;对施工方案进行了综合优化分析,有效提高了施工方案的可靠性和合理性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-24
  1.1 研究背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-22
    1.2.1 通风数值模拟的国内外研究现状  10-20
    1.2.2 施工进度仿真的国内外研究现状  20-22
  1.3 本文研究的主要内容  22-24
第二章引水隧洞施工过程动态可视化仿真原理及实现方法  24-37
  2.1 引水隧洞施工过程动态仿真方法  24-31
    2.1.1 施工全过程动态仿真原理  24-25
    2.1.2 施工全过程动态仿真模型  25-28
    2.1.3 仿真计算与分析方法  28-31
  2.2 引水隧洞施工过程三维动态可视化方法  31-35
    2.2.1 工程三维动态可视化原理  31-32
    2.2.2 引水隧洞三维数字建模  32-34
    2.2.3 引水隧洞施工过程三维动态可视化分析  34-35
  2.3 隧洞施工仿真系统的总体结构  35-37
第三章引水隧洞施工通风数学模型  37-63
  3.1 通风数值模拟理论  37-43
    3.1.1 直接数值模拟（DNS）  37
    3.1.2 雷诺平均模拟（RANS）  37-43
    3.1.3 大涡数值模拟（LES）  43
  3.2 引水隧洞施工通风的控制方程  43-47
    3.2.1 拟单相流模型  43-45
    3.2.2 两相流模型  45-47
  3.3 引水隧洞施工通风的边界条件  47-49
    3.3.1 拟单相流边界条件  47-49
    3.3.2 两相流边界条件  49
  3.4 数学模型的求解方法  49-63
    3.4.1 计算网格  49-51
    3.4.2 控制方程的离散  51-57
    3.4.3 数值计算方法  57-63
第四章某水电站引水隧洞施工通风数值模拟的单值性条件  63-75
  4.1 几何条件  63
  4.2 物理条件  63-64
  4.3 初始条件  64-73
    4.3.1 引水隧洞通风计算的理论  64-69
    4.3.2 设计参数  69
    4.3.3 爆破参数的确定  69-70
    4.3.4 炮烟抛掷长度b 及CO 初始浓度C0 和粉尘的初始浓度的确定  70-71
    4.3.5 施工通风方案的确定  71-73
  4.4 边界条件  73-75
第五章某水电站引水隧洞施工通风风流模拟结果与分析  75-92
  5.1 验证分析  75-78
    5.1.1 风流的验证分析  75-76
    5.1.2 污染物分布验证的分析  76-78
  5.2 某水电站引水隧洞施工通风数值模拟结果与分析  78-92
    5.2.1 施工通风流场模拟  78-90
    5.2.2 压力分布特征  90-92
第六章某水电站引水隧洞施工污染物模拟结果与分析  92-108
  6.1 模拟环境目标的确定  92
  6.2 粉尘分布  92-102
    6.2.1 引水隧洞粉尘分布数值模拟方案的比较  92-95
    6.2.2 CO 分布和粉尘分布对比分析  95
    6.2.3 引水隧洞内的粉尘分布  95-102
  6.3 CO 分布  102-107
    6.3.1 引水隧洞开挖工作面附近的 CO 分布  102-103
    6.3.2 引水隧洞沿程的CO 分布  103-105
    6.3.3 引水隧洞拐角处的CO 分布  105-106
    6.3.4 引水隧洞内的CO 浓度分析  106-107
  6.4 引水隧洞施工爆破散烟通风时间的确定  107-108
第七章某水电站引水隧洞施工方案优化分析  108-118
  7.1 某水电站引水隧洞工程施工进度分析  108-116
    7.1.1 施工全过程动态可视化仿真模型  108
    7.1.2 基本参数的选取及计算公式  108-111
    7.1.3 合理配置机械设备  111-112
    7.1.4 全过程动态可视化仿真成果  112-116
  7.2 施工方案优化分析  116-118
第八章结束语  118-121
  8.1 结论  118-120
  8.2 展望  120-121
参考文献  121-129
发表文章及参加科研项目  129-130
致谢  130

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