盐度分层水域温排水流动特性的三维数值模拟.pdf

第 3 6卷第 4期 2 0 1 4年 4月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 ． 3 6． No． 4 Ap r ． ， 2 01 4 【 水资源 水 环境 】 盐度分层水域温排水流动特性的三维数值模拟 韩丽娟 ， 田 淳 ， 贾利青 ( 1 ． 太原理工大学 水利科学与工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4； 2 ． 滨州市水利勘测设计研究院， 山东 滨州 2 5 6 6 0 0 ) 摘要： 为了研究盐淡水分层水域温排水的水力热力特性， 在物理模型试验的基础上， 基于E C O MS E D三维非线性水动 力模式， 在考虑上游径流和潮流共同作用的情况下， 对温度和盐度相互影响的水流进行了数值模拟。在对该水域的潮流 验证 良好 的基础 上， 通过模拟得到 了温度和 盐度 的垂向分布 、 不同水深处全潮平均温升场 ， 以及 涨急、 涨憩、 落急、 落憩 四 个典型时刻温度场的特征值， 与试验值进行比较 ， 分析温盐扩散的机理。结果表明， 该数值模型基本反映了非恒定盐淡 水 交汇水域 的温盐输运 扩散 规律。 。 关键词 ：非恒定 ；盐度分层水域 ；温排水 ；物理试验 ；三维数值模 拟 中图分类号 ：T V 1 3 1 ． 2 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 2 2 3— — D Nu me r i c a l S i mul a t i o n o n He a t e d Di s c h a r g e a t Sa l i ni t y La y e r i n g W a t e r Ar e a H A N L i - j u a n ， T I A N C h u n ， J I A L i - q i n g 2 ( 1 ． C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ，T a i y u a n u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ； 2 ． B i n z h o u Wa t e r C o n s e r v a n c y S u rve y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， B i n z h o u 2 5 6 6 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o s t u d y t h e t h e r mo d y n a mi c p r o p e r t i e s o f h e a t e d d i s c h a r g e i n t i d a l — s e n s i t i v e wa t e r a r e a ，i t u s e d i mp r o v e d ECOMS ED t o s i mu l a t e t i d a l c u iT e n t a n d fl o w r a t e ．T h e r e s u l t s o f n u me r i c al c a l c u l a t i o n a r e i n g o o d a g r e e me n t wit h t h e t e s t r e s u l t s ．By t h r e e — d i me n s i o n al n u me ric al s i mu l a - t i o n o n h e a t e d d i s c h a r g e a n d s a l i nit y d i s t r i b u t i o n， t h e c h a r a c t e ris t i c v alu e s o f v e r t ic a l t e mp e r a t u r e a n d s ali n i t y l a y e rin g，a v e r a g e t e mp e r a t u r e fi e l d an d f o u r t y p i c a l mo me n t s are o b t a i n e d，w h i c h a F e t h e s a l n e wi t h t h e r e g u l a ri t y o f p h y s i c al mo d e l t e s t ．Th e n u me r i c al mo d e l C an b e t t e r refl e c t t h e t e mp e r a t u r e mi g r a t i o n l a w o f n o n — c o n s t a n t o f t h e s a l t - f r e s h wa t e r i n t e r s e c t i o n． Ke y wo r ds ：u n s t e a d y flo w；s ali n i t y l a y e ri ng w a t e r a r e a；h e a t e d d i s c h a r g e；p h y s i c a l mo d e l ；t h r e e d i me n s i o n al s i mu l a t i o n 感潮河段水流是潮流和径流相互作用下的非恒定流 ， 盐淡 水在此交汇， 若电厂排 出的热水也在此掺混扩散 ， 将导致水体 盐度梯度和密度发生变化， 使得感潮河段温排水的水力热力特 性更加复杂。目前有关感潮水域的数值模拟一般是二维的⋯ ， 三维数值模拟研究多集中于海域， 且缺乏考虑温度与盐度的相 互影响， 一般仅考虑温排水 。 或者盐水入侵 j 。朱木兰等 J 考虑了温度与盐度的相互影响， 但没有进行温排水 的数值模 拟 。笔 者在 考虑 温度 与盐度 相 互影 响 的情 况下 ， 基 于 E C O M— S E D对盐度分层水域 电厂表排深取工程的温排水水力热力特 性进行了三维数值模拟， 预测非恒定盐淡水交汇水域的垂向盐 度分层和温度分层、 温排水的温升影响范围及其所携带热量在 水平向和垂向的分布等。 1 物理模型简介 在实验室模拟一长约 8 0 i n的变宽度扭曲水道 ， 该水道用 水泥砂浆粗抹面， 其宽度变化范围为 0 ． 5—2 ． 5 m， 顺直段长约 3 5 ． 0 In、 宽 2 ． 5 m， 底坡 0 ． 1 2 ％。模型布置见图 1 ， 温度测点布 置见图2 。在水道下游设潮流和盐度控制系统模拟海水涨落 ， 上游设流量计控制径流量， 和 为潮位测点， C 、 C 2和 G 为流速测点 ， s 、 Js 和 ．s 处设垂向盐度测点和温度测点。表排 深取， 排水流量 8 0 0 L ／ h ， 取排水温升 1 0℃左右。 扭曲 水道 图 1 模型布置 0 5 o 0 l 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 o 0 3 5 0 0 图2 温度测点布置( 单位： c m) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 —0 8 - 3 0 基金项目： 国家自然科学基金资助项 目( 5 0 6 7 9 0 5 0 ) 。 作者简介： 韩丽娟( 1 9 8 7 一) ， 女， 山西长治人， 硕士研究生， 研究方向为水力学 及河流动力学。 通信作者： 田淳( 1 9 6 2 一) ， 男， 山西太原人， 副教授， 硕士生导师， 主要从事水力 学及河流动力学方面的研究工作。 E— ma i l ：t i a n c h u n —t y @ 1 6 3 ． c o in - 69 人 民 黄 河2 0 1 4年第 4期 2 三维温排水数值模型的建立 在物理模型试验的基础上， 笔者基于 B l u m b e r g等 的 E C O MS E D模型三维水动力模块 ， 选取物理模型试验 中外海盐 度 S=1 ． 2 ％、 上游来流为 1 L ／ s 、 平均潮位为 1 3 c m、 潮差为3 ． 6 e m的工况进行潮流场、 盐度场和温度场的数值模拟计算， 并用 试验结果对数值模拟结果进行验证。 2 ． 1 计算区域及网格划分 贾利青 采用矩形网格只对物理模型的直线段进行了模 拟， 笔者取物理模型试验的直线段和弯曲段为计算域， 使模拟 结果更符合实际情况。在水平方向上采用正交 曲线网格 ， 横向 计算网格数为2 2 0 ， 纵向网格数为 1 2， 对取排水 口附近进行网 格加密。网格划分见图 3 。 嘲 翮嘲錾 黧 贼 嬲 瓣 鳓 嘲 嘲 嬲 图 3 计算 区域 网格划分 2 ． 2 边界条件及参数的选取 模拟采用诊断计算方法， 从静态开始计算 ， 水位变幅和初 始流速均设为 0 。初始温度和初始盐度由试验实测数据给定。 设定外模时间步长为 1 S ， 内模时间步长为 1 0 s ， 符合计算稳定 性的 C F L条件 。 海平面为 自由面， 无刚盖假定； 舍弃上下游均给定潮位的 方法 ， 改为上游边界给定计算工况的流量， 下游潮流边界潮位 变化用正弦波给出， 考虑水面散热及径流的影响； 下游盐度由 实测值给出， 上游径流是淡水， 盐度为0 ； 在固壁边界上， 温盐计 算以绝热条件为基础； 除取排水口外， 法向速度为 0 。 水面散热系数 计算式如下 ： = ( + 6 ) 4 ~ o-( T s + 2 7 3 ) ( 1 ／ 州6 △ A e ) 其中 ＆： ( 2 2 ． O+1 2 ． 5 +2 ． O A T ) AT = — A e e 一e a 式中： 为水面水温 ， o C； 为水面以上 1 ． 5 1 1 1 的气温， ℃； e 。 为 水温为 时相应水面饱和水汽压； e 为水温为 时相应水面 饱和水汽压； b 为常数 ， b= 0 ． 6 2 7 h P a ／ ~ C； s为水面辐射系数， s 取 0 ． 9 7 ； 为水面蒸发 系数 ，W I T I ～ h P a ～； V w为水 面 以上 1 ． 5 I 1 1 处的风速， m ／ s ； 为 s t a f a n—b o h z m a n常数， o r =5 ． 6 7 x 1 O— W ． i n～ ．℃ ～ ． 3 潮位、 流速计算结果 利用物理模型试验的观测值， 验证数值模型。试验值和模 拟计算结果均表明， 潮型为正规的半日潮， 流动为往复流， 涨潮 流速小于落潮流速， 涨落潮历时基本相同。温排水输运的主要 动力是径流和潮流共同作用下的平流， 流场的正确模拟是温排 水计算的基础。数值模型计算结果和实测资料符合 良好， 表明 70 模型能较好地反映计算水域的潮流特性。潮位验证 曲线见图 4， c 、 c 、 c ] 处表层的流速计算值与试验值对比见图5 ， 取排水 口处流场见 图 6 。 3 ． 目 2 ． 者 ‘ 囊 一1 — 2 ． 一 3 ． 吕 者 疑 一 ( b ) 潮位测点 一 计算 值 - 试验值 图 4 潮位计算值与实测值对比 矗 耋 0 2 4 6 8 1 0 1 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 ( a ) e 测点 ( b ) 测 点 嘉 _2 ( c ) e 流速测 点 试验 值 一 计 算值 图5 表层流速计算值与实测值对 比 ( a ) 涨急表 层流 场 薹 薹 i 垂薹薹 ( b ) 落急 表层 流场 图 6 排水 口附近涨急 、 落急表层流场 4 数值模拟结果及分析 在潮流验证良好的基础上进行温盐数值模拟， 经计算该水 域的温升场需约 5个潮周期方能达到稳定。 4 ． 1 盐度模拟结果分析 盐度随涨落潮的变化而变化 ， 涨潮时， 盐水契向上游推进， 涨憩后 1～ 2 h 盐度值达到最大； 落潮时， 盐水层变薄， 淡水层加 厚， 落憩后 1～ 2 h盐度值最小。涨憩时刻和落憩时刻 S 。 、 S ： 和 S 各点垂向盐度 s 的分布见图7 ( h为水深， s 为盐度) 。由图7 可知： 盐度垂向分层明显 ， 分层最强烈处发生在水下 5～8 c m 处 ， 且该水深处落憩分层比涨憩明显， 上游较下游明显， 这是在 上游径流作用下盐度和密度发生变化引起的： 落潮时上游径流 受潮流拖曳作用向下游推进， 表层淡水厚度增加； 落憩水下 7— 8 e m盐度达到稳定值， 涨憩时刻水下 1 0 e m盐度达到稳定值。 物理模型试验值和数值模拟计算结果吻合较好。 4 ． 2温度场模拟结果及分析 温排水热量的输移过程会受到垂向盐度分层的影响， S 。 、 s 、 s 处的垂向温度测点的全潮平均温升 △ 见图 8 。将图 7 和图 8结合起来进行分析： ①3个测点计算水温和盐度的变化 人 民 黄 河2 0 1 4年第 4期 趋势与试验值一致 ， 越往下游 ， 表层和底层的温度和盐度差越 大 ； ②在取排水 15附近， 受盐度分层影响， 取水H取到底部的高 盐度水体， 随后经排水 口排出， 密度较大的高盐度热水发生下 沉现象， 同时存在热水上浮效应及掺混卷吸作用， 垂向最大温 升层出现在水下约 6 c m处 ， 即盐度分层较强处 ； ③s 测点受潮 汐作用影响较弱， 因此水下 6 e m处的温升和盐度均比其余两 测点小； ④在径流的作用下温排水易于向下游输运 ， 因此上游 全潮平均温升低于下游； ⑤受潮流影响， 温度分层明显， 表层和 底层温升很小， 这可为取水口的高程布置提供参考。 0 2 4 昌 毫 6 8 1 0 1 2 0 2 4 g 毒 6 8 l 0 1 2 l d ) s l 钡 0 点 落 憩 ( e ) s 测 点 落 憩 一 计 算值 t 图 7 垂 向盐度的计算值与 0 2 4 暑 毫 6 8 l 0 1 2 A T ／ ℃ A T ／ ％ ( a ) 测 点 ( b j 测 点 萋 t 2 0 4 8 l 2 ( e ) s 9 点涨 憩 主 童 =l A T ／ ~ C ( c ) S 测 点 试验值 ～计算值 图 8 全潮平均垂 向温度计算值与试验值对比 全潮各层平均温升等值线包络面积见表 1 ， 潮流涨急、 涨 憩、 落急、 落憩四个典型时刻最大温升层温升等值线包络面积 见表 2 。取水温升最大值 1 ． 6 9℃ ， 最小值0 ． 0 0℃， 平均值 0 ． 7 2 ℃。可以绘出最大温升层全潮平均温升等值线。由模拟结果 可知 ： ①全潮平均温升面积计算结果与试验结果较为相近， 温 度场垂向分层明显； ②温度场随潮流涨落分别向上下游推进 ， 在涨憩、 落憩时刻温升范围最大； ③涨潮时上游径流起阻碍作 用， 落潮时径流起推动作用， 落急温升范围大于涨急温升范围， 受横向来流的影响， 热水有贴岸现象。数值模拟与试验结果在 总体规律上基本一致， 符合盐淡水交汇水域温排水 的流动 特性 。 表 1 全潮平均温升等值线包络面积 、 表 2典型 时刻最大温升层温升等值线包络面积 涨急 涨憩 落急 落憩 m 2 m 2 计算温升 试验温 计算温 升 试验温 计算温升试验 温 面 升面 面 升面 面 升面 m 2 i l l 2 1 1 1 2 m 2 m 2 m 2 O ． 5 5 9 ． 4 0 5 3 ． 8 O 1 ． 0 3 8 ． 2 O 4 9 ． 3 4 2 ． 0 9 ． 6 9 7 ． 4 5 3 ． O 3 ． 1 0 1 ． 9 1 4 ． 0 1 ． O 1 0 ． 7 8 5 结语 基于 E C O MS E D模型对盐淡水交汇区域考虑温盐相互作 用的温排水流动特性进行了三维数值模拟， 弥补了忽略盐水入 侵影响的不足， 利用得到的垂向温盐分层数据， 可为取水 口的 工程布置提供依据。重点对受潮汐和径流作用的盐度分层水 域温排水水力热力特性进行了分析， 有助于进一步理解温盐扩 散的机理。用物理模型试验结果对模拟结果进行验证， 证明了 数学模型的可靠性。这里研究的是理想感潮水域的温排水流 动特性， 也可用该模型模拟不同取排水 口布置形式和不同工况 下的温排水流动特性。 参考文献： [ 1 ] 张细兵， 金琨， 林木松． 潮流河段温排水影响的平面二维数值模拟[ J ] ． 长江 科学 院院报， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 3— 1 6 ． [ 2 ] 许晟轶 ， 朱建荣， 陈晒睿． 长江河口石洞口电厂扩建工程温排水三维数值模 拟[ J ] ． 华东师范大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 2 6— 3 4 ． [ 3 ] 周巧菊． 大亚湾海域温排水三维数值模拟[ J ] ． 海洋湖沼通报， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 7—4 6 ． [ 4 ] 马钢峰， 刘曙光， 戚定满 长江13 盐水入侵数值模型研究[ J ] ． 水动力学研究 与进展 ： A辑 ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 3 — 6 1 ． [ 5 ] 朱木兰， 韩铜珍， 蔡龙炎． 感潮河段温度与盐度场三维数值模拟研究[ J ] ． 水 动力学研究与进展： A辑， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 4 ) ： 5 6 6 — 5 7 2 ． [ 6 ] B l u m b e r g A F ，M e l l o r G L ． T h r e e —D i m e n s i o n a l C o a s ta l O c e a n Mo d e l s [ M] ． Wash in g t o n ：Ame r i c a n Ge o p h y s U n io n， 1 9 8 7 ． [ 7 ] 贾利青． 非恒定盐淡水交汇水域温排水特性的三维数值模拟[ D] ． 太原 ： 太 原理工大学 ， 2 0 0 5 【 责任编辑张华岩】 71 昭他 勰 肼 瑚 钾 卯 狮 ￡ j 钾" L 勰 m 晰 n