某滨海核电厂温排水三维数值模拟.pdf

第 6期 2 0 1 1年 6月 广 东水 利水 电 GUANGD0NG W ATER RES OURCES AND HYDROP0W ER No 6 J u n 2 0 1 1 某滨海核 电厂温排水三维数值模拟 王 明 才 ， 倪 培 桐 ， 张 晓艳 ( 1 广 东省 电力设 计研 究 院 ， 广 东 广州 5 1 0 6 0 0； 2 广 东省水利水电科学研 究院， 广东省水动力学应用研 究重点实验室， 广 东 广州 5 1 0 6 1 0 ) 摘要 ： 在某滨海核 电厂温排水研究的基础上建 立了温排 水三维数值模 型 ， 利 用实测水 文数 据进行 模型验证 ， 并成 功应 用 于 工程 方 案 比选 。 关键词 ： 温排 水 ； 三维数值模型 ； 核 电厂 中图分类号 ： T V 1 3 9 1 ； T M 6 2 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8一 O 1 1 2 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 0 1 0 4 前 言 温排水运动是复杂的水力 、 热力现象 ， 完善 的温排 水数学模型需要模拟近、 远区紊动要素 的影响， 反映水 体水平 、 垂 向出流掺混 ， 热水 回归 ， 反映水面散热影响、 水体浮力作用等要素。但由于对环境水体近区、 远区的 水力 、 热力特性认识的局限性 ， 以及数值模拟计算工作 量大 、 边界处理和参数选取难度大等原 因， 温排水三维 数值模型仍未在工程实践中被广泛应用。 目前工程上 广泛应用的温排水数值模型多为平面二维数学模型 ， 由 于平面二维数值模拟不能完全反映温排水的近区水力 、 热力效应 ， 同时也不能模拟工程海域 的温盐分层环境 ， 制约着平面二维温排水数学模型的成果应用 。有鉴于 此 ， 我国多家单位在应用平面二维数值模型对工程问题 进行 研 究 的 同时 ， 开 展 了温 排 放 三 维 数 学 模 型研 究 J 。本文在对我 国某滨海核 电厂相关课 题研 究的 基础上建立温排水三维数值模型。由于三维温排水数 学模型研究仍处于发展 阶段 ， 且计算工作量大、 计算时 间长， 本次三维温排水数值模拟重点研究温排水 自身作 用下的水力 、 热力特性对不 同方案取水温升的影 响， 为 二维数学模型方案 比选工作提供支持 ， 为冷却水工程方 案优化布置服务。 1 温排水 三维 数学 模型 1 1 控制方程 1 )潮 流方 程 O u a O w + 十 = O x O y O z 韭 + 警十 + OW lZ = 一 g p o1 0 P ,3 t 3 x 一 + 十 + = ， 一 一 一 一 a a V a 。 p a p 出 一 ( + ) + + 丧 ( ) S ( 2 ) + + + ： 一 一g 一 一 1 a Pa l u 昱 一+ + + = 一 一 一 一一 一 O t d x O y d z O y P o d P o 雾 出 一 ( + ) + 十 ( ) S ( 3 ) 式 中t 为时间 ； ， y ， z 分别为笛卡尔坐标 ； r l 为水位 ； d 为静水 深 ； ： d+叼为总水 深 ； ( ， y ， Z ) 、 ( ， y , z ) 、 ( ， y ， z ) 分别为水流速度 =2 ,Q s i n b 为科势力因子 ； g 为重力加速度 ； p ( ， y )为水体密度 ； s s 分别为辐 射应力 ； 为垂向涡粘系数 ； P 。 为大气压 ； p 。 为水体参考 密度； 5为点源源强 ； 、 分别为点源速度 ； 水平涡动扩 散项 F 、 F 表示为 ： F = 2 A )+ r f O y+ ) ， F = A( + ) + ( 2 A ) ( 4 ) 2 )温排水控制方程 + + + = + 杀 ( 13O t O X a y Oz az ) + 口 + s ( 5 ) + + 一+ = ， + ( J + H + ( ) J 、 式中 D 是垂 向涡动扩散 系数 ； 水平涡粘系数和涡粘 扩散系数根据混合长模型确定 ； 疗是水体与大气 的热交 换 ； 是热源源项 ； 水平热扩散项 表示为： ( 1 ) F = 未 ( O 吡A T ) + ( O cIA y T ) ( 6 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 0 2 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 50 6 作者简介 ： 王明才 ( 1 9 7 8一) ， 男 ， 工程 师 ， 主要从事大型火力发 电厂取排水设计研究 工作 。 2 0 1 1年 6月 第 6 期 王 明才 ， 等 ： 某滨海核 电厂温排水三维数值模拟 其 中D ， D = o r T ， r是普朗特数 。 1 2 边界条件及参数化 1 )自由水面边界条件 水面、 床面边界流速条件 ： 水面 ： 丑 +“ 丑 + 业一 ： 0 ( 7 ) d t d d ( ， )= ( T s y 、) ( 8 ) J “ 风应力分量： ( r )=C + ( ， ) ( 9 ) 2 )床面边界条件 + 型 + ：0 ( 1 0 ) d d ( au ， )= ( 丁 ) ( 1 1 ) o ( ， Po 底部应力分量 ： ( h ， r )：C d ： + ( M 6 ， 6 ) ( 1 2 ) 其 中 自 由 面 高 度C = m a x ( 后 l n ( z 。 z 。 ) 。 ， 0 0 0 2 5 ) ， Z 0 为底部粗糙度参数 ， 参照以往文献研究经 验 ， 取值为 0 1 m。 3 )水面热交换 根据工业循环冷却水处理设计规范 G B 5 0 0 5 09 5 ， 水面综合散热系数采用全国统一公式计算 ， 水面综合热 扩散系数取为 5 5 0 w ( m o C) 。 4 )垂向紊动掺混参数化 ， Z 2 垂向涡粘系数由下式计算 ： =c 其 中 为湍流动能 ； 为湍流动能耗散率 ； c 为常数。 利用 一 模型求解湍流动能及耗散率。 1 3 网格离散与数值方法 模型水平方向计算 区域被离散为三角形网格。在 综合考虑计算速度、 研究 目的等影响因素后， 共布置网 格单元约 9 7 0 0个、 节点约 4 7 0 0个 ， 模 型垂 向分为 1 5 层 ， 对上层水体加密分层 ， 模型采用控制体积法求解 ， 计 算范围见图 1 。三维模型计算的边界为潮位边界条件 ， 由平面二维数学模型提供。 1 4 计算潮型 由于工程海区夏季小潮余流主要为西南向， 取排水 采取北取 南排方式 ， 温 排水 对 取水 温升 的影 响很 小 ， 综 合比较冬季、 夏季实测潮型特征_ 5 ， 选择夏季大潮作为 三维数学模型研究的代表潮型。 2 图 1 模型计算范围及 网格 ( 整体与局部) 示意 1 5 模型验证 夏季大潮潮位验证结果显示潮位计算值与实测值 均吻合较好 ， 工程区潮位站的计算水位 ， 无论相位或振 幅都与实测值有较好吻合( 见图 2 ) 。 新 港 站 I O l 22 1 1 I O lj I O 时间， l l 图2 新港站实测与计算潮位对 比示意 选择 7个实测流速点对模型进行表层、 中层 、 底层 流速 、 流向验证 ， 限于篇幅本文选择 7 点说明流速验证 情况( 见 图3 ) 。结果表明， 除个别时段外 ， 各站流速 、 流 向的计算值与实测值基本吻合。图4为工程前涨急 、 落 急时刻不同水深流速矢量图。从表 、 中、 底层计算流场 看， 工程附近海域流场基本呈往复流流态 ， 反映了工程 附近海域的整体流态 ， 模型参数基本合理， 能较好地反 映计算水域的原体潮流运动特征 ， 模型计算流场与原体 流场基本相似。 2 计算方案与计算条件 选择 3个典型排水口位置进行模拟计算 ， 取排水流 量为 1 6 3 2 m s ， 温差取 8 c I = ， 排水 口位置见图 5 。 方案 1 ： 明渠取水， 排水形式为管排深排 ， 取水明渠 与排水管间距约 2 7 0 0 m， 排水 口离岸距离约为 1 8 k in。 方案 2 ： 明渠取水 ， 排水形式为管排深排， 取水明渠 与排水管间距约 5 0 0 m， 排水 口离岸距离约为 2 O k m， 码 头防波堤基本与岸垂直 ， 布置在取 、 排水 口之间。 方案 3 ( 即排水 口J 31 ) ： 排水管长为 1 4 k m， 排水 口为 龙抬头 底排方 案 ， 排水 口位置 为 2 6 m。 3 计 算结 果分析 3 1 工程后潮 流流态 由于电厂的修建改变了厂址处的岸线走 向， 必然引 O 0 0 0 ， ， 如 藉 2 0 1 1年 6月第 6期 广东水利水电 N o 6 J u n 2 0 1 1 图 3 7 测流站表层 、 中层 、 底层流速 、 流向验证 示意 底层 ( 涨潮 ) 表层 (落潮 ) 中层 (落潮 ) 底 层 ( 落潮 ) 图 4模 型计算流场 起厂址处近岸水域流态的变化 ， 工程后( 方案 3 ) 局部典 型涨 、 落潮流态见图6 。 图 5 排水 口工程优化布置示意 一 _ _ _ 图6 工程后( 方案 3 ) 局部典型涨、 落潮流态 工程对附近流场的影响主要体现在 2个方面： 港 池修建影响厂区附近往复流流态 ， 阻挡潮流的南北 向运 动 ； 电厂投入运行后 ， 电厂温排水的注入 引起排水 口 附近流场变化 ， 电厂取水引起港池附近流场的变化。工 程后该海区的潮流特征 ： 电厂防波堤修建改变了海岸 线 ， 涨急时 ， 港池南北两侧出现低流速区， 如果排取水 口 布置不当 ， 这 2个低流速 区将是温排水的涡积 区； 涨 急时刻 ， 温排水沿出 口排出后 ， 其 自身动量逐渐衰减 ， 温 排水初动量影响区长度约为 3 5 0 m， 最终随潮漂流扩散； 在憩流时刻排水 口两侧分别形成顺时针和逆时针 的回 流区， 回流区有利于加大水流掺混 、 稀释作用。 3 2取水 温升 方案 1 排水 口向外海深人约为 2 k in， 在取排水 口布 置上兼备差位式与分列式的布置思路。方案 1平均温 升约为 0 7 ， 受涨潮流热水输运 的影 响， 取水温升仍 然会升高 ， 最高可达 1 3 ( 见表 1 ) 。方案 2 、 方案 3取 排水 口布置均借鉴差位式取排水 口布置思路 ， 把排水 口 向外海伸出约 1 8 0 0 m左右。从取水温升过程线看 ， 方 2 0 1 1年 6月 第 6期 王明才 ， 等 ： 某滨海核电厂温排水三维数值模拟 N o 6 J u n 2 0 1 1 案 2 、 方案 3取水温升随潮变化较为平缓， 温升较低( 见 图7 ) ， 表明热水与冷水流路不同， 不会出现短路现象。 】 8 1 2 隶 赠 O 6 0 0 图 7 不同排水 口位置的取水 口温升过程线 与平面二维数学模型比较 ， 三维模型平均取水温升 较二维模型高约为 0 2 C； 三维模型最大温升较二维数 模型略小 ， 约为 0 I C， 表明本文三维数学模型的计算 结果较为可靠 。 表 1 不同计算方案温升特征值 3 3 温升 面积 从温升分布等值线 图可以看 出， 涨潮时段 ， 温排水 在涨潮流的作用下平行于岸线向东北方向输运 ， 由于海 域水流为往复水流 ， 落潮 时段 ， 温排水在落潮流的作用 下平行于岸线向西南方 向输运 ( 见 图 8 ) 。面积统计显 示 ， 三维模型 4 表层 温升面积 约为 0 0 20 0 5 k m ， 1 表层温升面积约为 4 9 k m ( 见表 2 ) 。与平面二维 模型 比较， 2 o c温升面积三维数模计算结果相对偏大 ， 总 体上三维数模与二维数模温升计算面积较为接近。 表 2 夏季大潮排水 口方 案 3表层温升面积特征值 ( k m ) 4 ( Z =- 0 5 m) 仁= - 05 m) = 一 4 5 m) 忙= 一 4 5 m) 图8 温升等值线分布( 排水流量为 1 6 3 2 m s ) 4结语 一 般而言， 深度平均的二维水动力模型适用于垂 向 充分混合的水域。受温排水或环境水体分层效应影响， 温排水水力、 热力特性在垂向上有明显的差异。随着三 维数模技术的日益进步， 为弥补二维模型的不足， 已可以 也有必要开展海域三维水流、 温升影响的数值模拟工作。 但由于三维温排水数学模型研究仍处于发展阶段， 且计 算工作量大、 计算时间长。三维温排水数值模拟研究应 从弥补平面二维温排水数值模型研究不足出发 ， 重点研 究温排水 自身作用下或环境作用的水体分层对不同方案 取水温升、 环境温升的影响， 为二维数学模型方案比选工 作提供支持， 为冷却水工程方案优化布置服务。 参考文献 ： 1 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 ， 3 5 ( 8 ) ： 6 6 7 0 2 南京 水 利科 学研 究 院 福 建 宁德 核 电 温排 水 数值 模 拟 R 南京： 南京水利科学研究院， 2 0 0 5 3 中国水利水电科学研究院 阳江核电温排水三维数值模拟 R 北京 ： 中国水利水 电科学研究院 ， 2 0 0 6 4 广东省水利水 电科学研究院 广东岭澳核 电三期扩建工 程 温排放数学模型计算报告 R 广州： 广东省水利水电科 学研究院 ， 2 0 0 9 5 广东省水利水 电科学研究院 海南昌江核 电厂 可行性研 究 温排水数值模 拟计算研究 报告 R 广州 ： 广东 省水利水 电科学研究院 ， 2 0 0 9 6 岳钧堂 差位式理论及工程应用 J 水利学报， 1 9 9 3 ， 2 4 ( 1 2)： 1 01 7 ( 本文责任编辑王瑞兰)