近岸海域温排水的三维数值模拟.pdf

第2 7卷 第 1 0期 2 0 1 0年 1 0月 长 江 科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 2 7 No 1 0 Oc t 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 5 5 0 5 近岸海域温排水的三维数值模拟 崔丹 ， 金峰 ( 武汉长建创维环境科 技有限公司 ， 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 采用基于无结构三角形网格有限体积法的三维水流运动与温度输运数学模型模拟潮流场与温度场 ， 模型守 恒性好 ， 且能实现对工程区域的贴体模拟。通过潮位潮流实测资料对模型进行了验证， 数值模拟结果与实测数据 吻合较好。对待建电厂温排水的输运与扩散进行了模拟计算， 给出了温排水的时空分布及取水 口的温升过程线 ， 为电厂取排水口的设计以及温排水环境影响评价提供了科学依据。 关键词： 数学模型； 潮流；温排水 中图分类号 ： T V1 3 7 文献标识码 ： A 1 概述 随着近海地 区经济发展及 近岸海洋资源 的开 发 ， 社会对能源的需求 量与 日俱增 ， 火 电、 核电飞速 发展的同时也带来 了大量 的热 污染 问题 j 。沿海 地 区修建热 电厂 ， 一般直接取海水作冷却水 ， 循环冷 却水升温后排入环境水体会引起受纳水体升温。因 此 了解温排放的流场和温度场 ， 对电厂温排水产生 的热污染程度和污染范围做出确切 的预报是极其必 要 的 。 现有的海岸热扩散预测方法 中， 二维预测模型 较为普遍 I 4 ， 由于没有考虑污染物质在水深方 向 上的变化 ， 主要用于水深变化不大 ， 温度分层不明显 的宽浅型水域。实 际工程 区域 附近的水流条 件复 杂 ， 温废水排入受纳水体后会有较强的分层现象 ， 因 此三维水动力与污染物扩散数学模型得到越来越广 泛的应用 。 。 本文采用三维水动力及污染物扩散数学模型模 拟近岸海域 一待建 2 3 0 0 M W 级热电厂 的温水扩 散与输运 ， 为电厂取排水 口的设计及温排水环境影 响评价提供科学依据。 2 数值模 拟方法 2 1 控制 方程 在笛卡儿坐标 系下 ， 三维水流运动方程与温度 输运方程 ： + + 一 O w = S； ( 1 ) O x O y O z 、 O u O u O v uO wu f a 1 0 lp + + + =I， 一g 一 一O t O x O y O z O x P0 O x 出+ + ( ) + s； c 2 ) + + + 一 g 0 y t uOt O x O y O z 一 + + + = 一 一 0一 。 1 0 pa P 曼 o 等 出 + + 拿O z ( O z ) + 。S。 p o d J z d ， ( 3 ) OT + O u T + O v T + O w T 十十十 O t O x O y O z 即 去 ( D ) + s。 ( 4 ) 其 中： = O ( 2 A ) + 4 ( + ) ；( 5 ) F = A ( 考 + Ox ) 卜 ( 2 )； ( 6 ) D = Vt ； = 0 D ) + ( - 0 T。 ( 7 ) 式中： U ， ， W为流速在 ， Y ， z 方向的分量； 为水深 ， h= 叼+d， 7 7 为 自由水面相对于平均海平面的位移 ， d 为平 均 海 平 面 以下 的静 7 k深 ： 厂为柯 氏 力 系数 f： 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 8 2 3 作者简介 ： 崔 丹 ( 1 9 8 2 ) ， 女 ， 占林延 边人 ， T程帅 ， 博士研 究生 ， 从 事港 口、 海岸 及近海 工程 研究 ， ( 电话 ) 0 2 78 2 6 0 5 9 8 9 ( 电子信箱 ) c uida n 1 1 O1 1 2 6 c o n 1 长江科 学院院报 2 0 1 0丘 2 s i n ， 为地球旋转角速度 ， 为地理纬度； g为重 力加速度 ； P为水体密度 ， 密度 为温度和盐度 的函 数 ， P= p ( T ， s ) ； p 。 为参考密度 ； A为水平紊动黏性系 数 ； 为垂直紊动性系数 ； p 为大气压力 ； M ， 为排 入环境水体 中的水流流速； S为点源流量 ； 为点源 的温度或温升； D 为水平热扩散 系数 ， D = ， O- T 为普朗特常数； D 为垂向热扩散系数。 2 2定解条件及数值求解方法 2 2 1 边界条件 模型边界由海域边界与陆域边界组成 ， 海域边 界为开边界， 陆域边界为海域与海岸线的交界线。 开边 界 上 潮 位 过 程 根 据 实 测 资 料 给 出， 即 日( ， y ， t ) I r =H ( ， Y ， t ) ， 式 中 H ( ， Y ， t ) 为开边 界上的实测潮位过程； 陆域边界即固壁边界条件 由 式 I ， = O 给定 ， 式中 U为流速矢量 ， n为 固壁边 3 界法向。温度场在固壁边界上： = 0 。 d ， 2 2 2 初始条件 H( ， y ， t ) l =风 ( ， Y ， t 0 ) ， “ ( ， Y ， t ) I c n = 0 ( ， Y ， t 0 ) ， ( ， ) ， ， t ) l ： m= 0 ( ， Y ， t 0) ， T ( ， ， t 0 )= 0 。式 中 ( ， Y ， t o ) ， u 0 ( ， Y ， t o )与 0 ( ， y ， t 。 ) 为初始时刻 t 。 的潮位 、 流速 、 温度值 。 2 2 3 数值求解方法 平面上采用三角形网格划分 固壁边界计算 区 域 ， 实现工程区域建筑物的贴体模拟， 提高排水 口附 近潮流场与温度场 的计算精度 ； 竖直方 向上 ， 在 坐标系下 ， 对计算区域进行空间离散， 坐标系对不 规则床面地形具有较好的适应性。对控制方程的离 散采用 c e l 1 c e n t e r e d有 限体积法 ， 有变量存 储于 网 格 中心处 ， 保证模型 良好的守恒性。 2 2 4 参数取值 本文采用 S a m a g o r i n s k y模型给出的水平 向紊动 粘性系数 ， 温度输运模型中的水平扩散系数取与 水平向紊动粘性系数相同的值。三维水流模型与温 度输动模型的垂向紊动粘性系数采用抛物线分布形 式。 计算精度 ， 工程区域网格边长在 6 0 m左右。垂 向网 格采用 坐标 系下 的均 匀网格 ， 分层层数 为 1 0 层 ， 等间距划分。 图 1 平 面网格 图 Fi g 1 Th e c ompu t at i o n m e s h 3 2潮位潮流过程验证 采用 2 0 0 7年 6月 2 32 4日工程海域 的潮位 、 分层潮流资料对模型进行验证。潮位测站与潮流测 站的位置见图 2 ， 图中 z为潮位验证点 ， V1 ， V 2为潮 流 验证 点 。 大潮 潮位过程验证 曲线见 图3， 流速过 姜 3 模 型验证 藏 3 1 网格划分 三维潮流与温排水计算中， 计算区域验潮平面 网格数量 1 0 7 5 5 ， 网格节点数 5 6 8 4 ， 平面网格见 图 1 。网格边长随水深变化 ， 深水区网格边长较大 ， 浅 水区及工程区域 网格边长较小 ， 以保证工程区域 的 图 2潮位测站与潮流测站位置图 Fi g 2 Di s t r i b ution o f o bs e r va t i on p oi nt s f 0 r t i da l l e v e l a nd c ur r e nt 时间 图 3 大潮潮位验证 曲线 Fi g 3 The v a l i da t i o n c ur ve s of tida l l e v e l d u rin g s p r i n g t i d e 第 1 0期 观测值 一计算值 崔 丹 等 近岸海域温排水的三维数值模拟 6 ， 。 ， 一 、 一 。 、一、 一 _ 时间 r e 0 2H 0 6 4 槎 ； 8 矗： 皇0 6 0 ： 0 0 l 0： 0 0 1 2 ： 0 o 1 4： 0 0 l 6 ： 0 0 1 8： 0 0 2 0： 0 0 2 2： 0 0 0 ： 00 2 ： 0 0 4： 0 0 6 ： 0 0 8 ： 0 0 时间 ( b ) 0 8H ， 、 ， 厂二二： _一、 、 一 ， 、 厂 一 一 ： 、 、 一 f 一 、 0， _ ： 0 0 l 0： 0 0 1 2 ： 0 0 1 4： 0 0 1 6 ： 0 0 1 8 ： 0 02 0： 0 0 2 2： 0 0 0 ： 0 0 2 ： 00 4 ： 0 0 6 ： 00 8： 0 0 时 间 ( d ) 0 4H 图 4 V 1站大潮潮流过程验证 曲线 Fi g 4 Th e v a l i d a t i o n c u r v e o f c u r r e n t v e l o c i t y d u r i n g s p rin g t i d e a t s t a t i o n V1 程验证选取现场观测 的 3条垂线 ， 分别为 Vl ， V 2潮 流测点垂 向( 底层 ) 0 I H， 0 2 H， 0 4 H， 0 6 H， 0 8 H及 1 O H( 表层 ) 位置的流速值 ， 图 4为 V l站大潮潮流 过程验证 。 对 比潮位和流速流向的验证曲线可 以看出 ， 模 拟结果与实测结果吻合情况较好 ， 表 明所采用 的三 维水流数学模型能较好地模拟潮流的空间分布， 可 以为三维温度场的计算提供水动力条件。 4 温排水数值模 拟结果及分析 分小潮 、 大潮进行温排水三维扩散过程数值模 拟 ， 限于篇幅 ， 本文只给 出热季大潮涨潮初期及落急 期的数值模拟结果。电厂采用表层排水 、 底层取水 ， 热季排水量2 2 9 m s ， 排水温升8 3 。模拟计算 中， 不考虑水体与大气的热交换 ， 仅研究温水排人受 纳水体后的温度扩散与输运过程 。在码头前沿布置 一 条测线 ， 如图 5所示 ， 用于监测温水在码头前沿引 起的温升变化过程 ， 测线方向 由南 向北 。取水 口温 升过程线见 图6 。 结合图4进行分析 ： 大潮涨潮初期 ( 1 1 ： 3 0 ) ， 水 流流速较小 ， 温水扩散较慢 ， 从 图7 ( a ) 可 以看 出， 排 水 口附近温升范 围相对较大 ， 1 4 C温升线向南扩散 约 1 0 0 m， 顺水流扩散 3 4 0 m， 从垂向分布来看 ， 越接 近排水 口， 等温升线密度越大 ， 表 明温度梯度越 大； 结合图7 ( a ) 与图7 ( b ) 至图7 ( d ) 可以看出 ， 0 5 H层 最大温升为0 1 5 C， 集 中在排水 口附近。大潮落急 期( 2 2 ： 3 0 ) ， 潮流流速增 大， 0 1 c C温升包络线 面积 减小 ， 如图 8 ( a ) 所示 ， 0 O 1 温升线由北向南侵入。 图 5温升测线布置 图 Fi g 5 The a r r a nge m e nt o f t e m p e r at ur e - r i s e me a s ur e m e nt l i n e 图 6取水 口温升过程线 Fi g 6 Th e t e mp e r a t u r e - r i s e c u r v e a t t h e i n t a k e 57 结合图 4分析可 以看 出， 在涨潮初期及低平期 ， 取水 口处表层温升值较大 ， 由于码头前沿水深值较 大 ， 温水扩散时分层较为明显 ， 主要在水体的中上层 扩散， 而取水口位于底层， 因而温升不大， 最大温升 值出现在 6 ： 3 0左右， 约为0 3 3 C。 8 6 4 2 0 H 间 时 8 6 4 2 一 目)， 覃 f 煺 叩 4 吣 如时 m 舯 O 一 旦 覃 堰 H 搁 一 一 自一 避 一 卜s 自) ， 避 5 8 长 江科 学院院报 2 0 1 0年 排水 口l ( a ) 垂直分布 ( b ) 平面分布( 表层1 0 ( c ) 平面分布( 中层0 5 4 ) ( d ) 平面分布( 底层0 1 图 7 大潮涨潮初期温升分布图 Fi g 7 Th e di s t r i but i on of t e m p er a t ur e - r i s e a t t he be g i nni ng o f floo d t i de dur i ng s p r i ng t i de 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 I 4 0 0 l 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 排水口 南】 排水口 距离 1 1 陬 水门 ( a ) 垂直 分布 ( b ) 平面分布( 表层1 0 ( c ) 半 面分布( 中层0 5 4 ) ( d ) 平面分布( 底层0 1 图8大潮落急期温升分布 图 Fi g 8 Th e v e r t i c a l d i s t r i but i o n of t e m p er a t ur er i s e a t t he r a pi d f a l l dur i ng s pr i ng t i de 扩散过程。模拟得到 的潮位、 潮流结果与实测资料 、 吻合较好。待建电厂温排水输运 与扩散的模拟结果 J 皇 口 匕 表明温水扩散过程符合潮流场中污染物扩散的一般 本文采用守恒性好 、 能贴体模拟工程区域的三 规律 ， 给出的温排水 的时空分布及取水 口的温升过 维水流 温水扩散数学模型， 模拟了潮流过程与温水 程可为取排水 口的设计提供科学依据。 第 1 0期 崔 丹 等 近 岸海域温排水 的三维数值模拟 5 9 参考文献 ： 1 邹金安， 林明森 热污染在潮汐作用下对海域水质影 响预报模 型 J 海 洋通报， 1 9 9 8 ， 1 7( 4) ： 5 56 2 ( Z O U J i n a n ，L I N Mi n g s e n g F o r e c a s t m o d e l o f t h e r ma l p o l l u t i o n wi t h i n flue nc e o n t h e o c e a n wa t e r q ua l i t y by t h e t i d e J Ma ri n e S c i e n c e B u l l e t i n ，1 9 9 8 ， 1 7( 4 ) ： 5 5 6 2 ( i n C h i n e s e ) 2 韩康， 张存智三亚电厂温排水数值模拟 J 海洋 环境科学 ， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 4 5 7 ( H A N K a n g ，Z H A N G C u n z h i Nu me ri c a l s i mu l a t i o n o f wa r m wa t e r d i s p o s a l i n S a n y a P o w e r P l a n t J Ma ri n e E n v i r o n me n t a l S c i e n c e 1 9 9 8 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 4 5 7 ( i n C h i n e s e ) ) 3 张细兵 ， 金琨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 3一l 6 ( Z HANG Xi b i n g ，J I N K u n 2 D n u me ri c a l s i mu l a t i o n f o r wa r l n wa t e r d r a i n a g e i n t i d e fi v e r r e a c h J J o u r n al o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 31 6 ( i n C h i n e s e ) ) 4 张继民， 吴时强电厂温排水区流动特性分析及模型 参数的研究 J 东北水利水电， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 2 5 3 ) ： 5 1 5 6 ( Z H A N G J i mi n ，WU S h i q i a n g A n a l y s i s o f f l o w c h a r a c t e ris t i c s a n d s t u d y o n mo d e l p a r a me t e r i n t h e r mal o f e l e c t ri c p l a n t J Wa t e r R e s o u r c e s& H y d r o p o w e r o f N o r t h e a s t C h i n a ， 2 0 0 5 ， 2 3 ( 2 5 3 ) ： 5 1 5 6 ( i n C h i n e s e ) ) 5 黄平汕头港水域温排水热扩散的三维数值模拟 J 海洋环境科学 ，1 9 9 6 ， 1 5( 1 ) ： 5 96 5 ( HU A N G Pi n gTh r e e di me ns i o na l nu me ric a l s i mul a t i o n o f t he he a t d i f f u s s i o n f r o m t h e C o o l i n g W a t e r i n S h a n t o u Ha r b o u r J Ma ri n e E n v i r o n me n t a l S c i e n c e ，1 9 9 6 ， 1 5 ( 1 ) ： 5 9 6 5 ( i n C h i n e s e ) 6 郝 瑞霞 ， 韩新 生 潮 汐水 域 电厂 温排 水 的水流 和热 传 输准三维数值模拟 J 水利学报， 2 0 0 4， ( 8 ) ： 6 67 0 ( H A O R u i x i a ，H A N X i n s h e n g Q u a s i 3 - D n u m e ri c a l mo d e l f o r flo w a n d h e a t t r a n s po rt o f p o we r pl a n t c o o l i n g w a t e r d i s c h a r g e d i n t o c o a s t a l a r e a J J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， ( 8 ) ： 6 6 7 0 ( i n C h i n e s e ) ) 7 汪一航 ， 魏泽勋 ， 王永刚， 等 潮汐潮流三维数值模拟 在庄河电厂温排水数值模拟问题 中的应用 J 海洋 通报 ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 81 5 ( WA N G Y i h a n g ，WE t Z e x u n ，WANG Yo n g g a n g，e t a 1 Ap p l i c a t i o n o f t i d a l n u me r i c a l mo d e l t o t h e r ma l p l u me d i s p e r s i o n f r o m p o w e r p l a n t a t Z h u a n g h e J Ma ri n e S c i e n c e B u l l e t i n ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 81 5 ( i n C h i n e s e ) ) 8 朱军政 强潮海湾温排水三维数值模拟 J 水力发电 学报 ， 2 0 0 7 ， ( 8 ) ： 5 66 0 ( Z H U Z h e n g - j u n N u m e ri c a l s i mu l a t i o n o f 2D mo de l o f c o o l i ng wa t e r d r a i n i ng i n t o t he b a y w i t h s t r o n g t i d a l J J o u rna l o f h y d r o d y n a m i c s ， 2 0 0 7 ， ( 8 ) ： 5 66 0 ( i n C h i n e s e ) ) 9 谭维炎计算浅水动力学 一有限体积法的应用 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 8 ( T A N We i y a n C o mp u t a t i o n a l S h all o w W a t e r Hy d r o d y n a mi c s - Ap p l i c a t i o n o f F i n i t e V o l u m e M e t h o d M B e i j i n g ：T s i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 8 ( i n C h i n e s e ) ) 1 0 周雪漪 计算水力学 M 北京： 清华 大学 出版社， 1 9 9 4 ( Z H O U X u e y i C o m p u t a t i o n a l H y d r a u l i c s M B e i j i n g ： T s i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 4 ( i n C h i n e s e ) ) 1 1 S A MA G O R I N S K Y J G e n e r a l c i r c u l a t i o n e x p e ri m e n t s w i t h t h e p ri mi t i v e e q u a t i o n s I ： T h e b a s i c e x p e ri me n t J Mo n t hl y W e a t he r Re v ，1 9 6 3 91： 9 91 6 4 ( 编辑 ： 王慰 ) Thr e e d i me n s i o na l Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n o n The r ma l Di s c h a r g e i n Co a s t a l Ar e a C UI D a n，J I N F e n g ( Wu h a n C T I C RS RI E n g i n e e rin g& En v i r o n me n t C o L t d ，Wu h a n 4 3 0 0 1 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s t h e s i s n u me ric a l fl o w mo d e l a n d wa l 3 ,n wa t e r t r a ns p o r t a t i o n mo d e l ba s e d o n t r i a n g u l a r me s h a n d fin i t e v o l u me me t h o d a r e a pp l i e d t o s i mul a t e t h e t i d a l c u r r e n t fi e l d a n d t e mp e r a t u r e fie l d，t he mo de l c a n s i mu l a t e t h e p r e c t r e g i o n w i t h a g o o d c o n s e r v a t i o n p r o p e rt y A f t e r c e r t i f y i n g t h e m o d e l w i t h t h e me a s u r e d d a t a ， t h e s i m u l a t e d r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t he me a s u r e d d a t aTh r o u g h s i mu l a t i n g t h e t r a n s p o r t a t i o n a n d di f f u s i o n o f t h e t h e r ma l wa t e r ，t he s pa t i a l a n d t e mp o r a l d i s t rib u t i o n s o f t h e t h e r ma l wa t e r a n d t h e t e mp e r a t u r e p r o c e s s l i n e s o f wa t e r i n t a k e a r e g i v e nTh e y c a n p r o v i d e s c i e n t i fi c ba s i s f o r t he d e s i g n o f wa t e r i n t a k e a n d o u t l e t ，a n d e n v i r o n me nt a l i m p a c t a s s e s s me n t i n v o ke d b y t h e wa r m wa t e r Ke y wo r ds： ma t h e ma t i c mo d e l ；t i da l c u r r e n t ；t h e r ma l di s c h a r g e