潮汐水域電廠溫排水的水流和熱傳輸準(zhǔn)三維數(shù)值模擬

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1、水利學(xué)報(bào)2004年8月SHUILIXUEBAO第8期文章編號:0559-9350(2004)08-0066-05潮汐水域電廠溫排水的水流和熱傳輸準(zhǔn)三維數(shù)值模擬12郝瑞霞,韓新生(1.太原理工大學(xué)建筑與環(huán)境工程學(xué)院山西太原0300242.中國輻射防護(hù)研究院水環(huán)境所山西太原030006)摘要本文采用浮力修正的k-湍流模型三維離散型邊界擬合坐標(biāo)變換下的控制體積法進(jìn)行濱海電廠冷卻水工程的潮汐水流和熱傳輸?shù)娜S數(shù)值模擬研究以泉州灣水域某核電廠冷卻水工程為例對表排深取的工程布置方案進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算計(jì)算所得的該水域潮

2、位流速和流向與原體觀測資料吻合良好所得溫排水的溫升范圍以電廠排水口為中心沿泉州灣北岸成帶狀分布對排水口近區(qū)垂向溫度分布計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)值進(jìn)行的比較分析表明排水口附近區(qū)域有明顯的熱水分層現(xiàn)象但其熱水層比試驗(yàn)結(jié)果偏小考慮到物理模型試驗(yàn)也存在著變態(tài)效應(yīng)總體上認(rèn)為溫度場的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)資料趨勢一致關(guān)鍵詞數(shù)值模擬冷卻水潮汐水流k-湍流模型潮汐水域中圖分類號TV137文獻(xiàn)標(biāo)識碼A濱海地區(qū)火/核電廠冷卻水工程多數(shù)采用表面冷卻方式將大量廢熱排入附近海域熱量在水域的分布情況不僅涉及水環(huán)境污染問題而且直接影響取排水

3、工程布置方案的確定上述兩方面的研究工程上仍采用物理模型試驗(yàn)和平面二維數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)路線但二維模型由于深度平均的緣故無法估計(jì)排水口近區(qū)熱水層厚度平面上高溫區(qū)面積也偏小與實(shí)際不符客觀上要求研究更精細(xì)的三維湍流模型以適應(yīng)工程設(shè)計(jì)的要求早期的研究多數(shù)是針對相對簡單的邊界條件和來流條件的算例目的是分析各類湍流模型預(yù)報(bào)浮力分層流動的能力近年來天然水域非恒定流流場及溫度場的三維紊流數(shù)值模擬已取得一系列的研究成果例如文獻(xiàn)[1]主要討論了三維非恒定流動自由面處理問題不涉及溫度變量文獻(xiàn)[2]討論了矩形水槽有橫向來流

4、的底孔浮力射流的水力熱力特性自由面采用剛蓋假定未考慮非恒定流動;文獻(xiàn)[3]是對潮汐水域自然形成的鹽度分布和水溫分布的數(shù)值模擬未涉及浮射流近區(qū)的模擬但還未見有濱海潮汐水域溫排水排放而引起的浮力分層流動水力熱力特性三維模擬的工程算例本文作者在前期研[4]究的基礎(chǔ)上對泉州灣水域某核電廠冷卻水排放的水力熱力特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究并有著同一工程原體觀測和物理模型試驗(yàn)的驗(yàn)證因此研究成果具有學(xué)術(shù)價(jià)值和工程實(shí)際意義1數(shù)學(xué)模型1.1基本方程靜水壓強(qiáng)假定條件下的非恒定三維帶浮力修正k-紊流模型的基本控制方程如下(i=

5、1,2,j=1,2,3)?uj=q(1)?xj收稿日期:2004-03-04作者簡介:郝瑞霞(1965-),女,山西渾源人,博士,副教授,主要從事環(huán)境水利和冷卻水工程方面的研究.1水利學(xué)報(bào)2004年8月SHUILIXUEBAO第8期?()ρui?????uj?ui???ξ+()ρuiuj=?μe??+????ρg+Fi(2)?t?xj?xj????xi?xj????xj?()ρk????μe?k??+()ρuk=+G+G?ρε(3)?t?xi?x?σ?x?kbjj?kj??()ρε????μe?ε??

6、ε+()ρuε=+()c()G+G()1+cR?cρε(4)?t?xi?x?σ?x?k1kb3f2jj?εj??????μe?T??QR()ρT+()ρuT=+(5)?t?xi?x?σ?x?cjj?Tj?p2?ui???ui?uj??各系數(shù)表達(dá)式為e=+tt=ck/G=μ+F=(-u2i+u1j)kt?x??x?x?j?ji?μt?T=2esineG=?βgbσ?zT溫度方程式(5)中的源匯項(xiàng)QR可按下式計(jì)算qSSSSQ=Q+QδQ=?k(T?T)(6)RRRRs∞非恒定潮位過程可通過對水深平均的動量

7、方程求散度并使之滿足水深平均連續(xù)方程從而生成如下的水位Poisson型控制方程?()ρξ?n???ξ?+()ρHU=ρq+ρg?t?H?+G?t(7)?t?xi?x??x?mii?i?其中源系數(shù)表達(dá)式為?2???U?U????2()?ji?()B()Gm=?Hμe+ρDV?+??+Fi?τi?ρHUiUj(8)?xi?xj????xi?xj????xi?xi?xj式中xi為直角坐標(biāo)t為時(shí)間H為水深Ui為水深平均流速ui為三維流速為水位F為柯氏力DV為水深平均產(chǎn)生的流散系數(shù)T為溫度k為紊動動能為紊動動能

8、耗散率q為單位面積的流量源匯為水的密度a為空氣的密度g為重力加速度為體積膨脹系數(shù)e為紊流有效黏性系數(shù)為分子B黏性系數(shù)t為紊動黏性系數(shù)τ為底部摩阻應(yīng)力T為紊流Prandtl數(shù)Rf為通量Richardson數(shù)cp為iqS定壓比熱QR為單位時(shí)間內(nèi)排放到系統(tǒng)內(nèi)的單位質(zhì)量流體上的熱量源匯QR為單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量流體向2水利學(xué)報(bào)2004年8月SHUILIXUEBAO第8期SSSS大氣的散熱量為間斷函數(shù)在水面=1.0在水面以下=0.0Ks為水面綜合熱散系數(shù)T為水體表面