潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟

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1、水利学报2004年8月SHUILIXUEBAO第8期文章编号:0559-9350(2004)08-0066-05潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟12郝瑞霞,韩新生(1.太原理工大学建筑与环境工程学院山西太原0300242.中国辐射防护研究院水环境所山西太原030006)摘要本文采用浮力修正的k-湍流模型三维离散型边界拟合坐标变换下的控制体积法进行滨海电厂冷却水工程的潮汐水流和热传输的三维数值模拟研究以泉州湾水域某核电厂冷却水工程为例对表排深取的工程布置方案进行了数值计算计算所得的该水域潮

2、位流速和流向与原体观测资料吻合良好所得温排水的温升范围以电厂排水口为中心沿泉州湾北岸成带状分布对排水口近区垂向温度分布计算结果与物理模型试验值进行的比较分析表明排水口附近区域有明显的热水分层现象但其热水层比试验结果偏小考虑到物理模型试验也存在着变态效应总体上认为温度场的计算结果与试验资料趋势一致关键词数值模拟冷却水潮汐水流k-湍流模型潮汐水域中图分类号TV137文献标识码A滨海地区火/核电厂冷却水工程多数采用表面冷却方式将大量废热排入附近海域热量在水域的分布情况不仅涉及水环境污染问题而且直接影响取排水

3、工程布置方案的确定上述两方面的研究工程上仍采用物理模型试验和平面二维数值模拟相结合的技术路线但二维模型由于深度平均的缘故无法估计排水口近区热水层厚度平面上高温区面积也偏小与实际不符客观上要求研究更精细的三维湍流模型以适应工程设计的要求早期的研究多数是针对相对简单的边界条件和来流条件的算例目的是分析各类湍流模型预报浮力分层流动的能力近年来天然水域非恒定流流场及温度场的三维紊流数值模拟已取得一系列的研究成果例如文献[1]主要讨论了三维非恒定流动自由面处理问题不涉及温度变量文献[2]讨论了矩形水槽有横向来流

4、的底孔浮力射流的水力热力特性自由面采用刚盖假定未考虑非恒定流动;文献[3]是对潮汐水域自然形成的盐度分布和水温分布的数值模拟未涉及浮射流近区的模拟但还未见有滨海潮汐水域温排水排放而引起的浮力分层流动水力热力特性三维模拟的工程算例本文作者在前期研[4]究的基础上对泉州湾水域某核电厂冷却水排放的水力热力特性进行了三维数值模拟研究并有着同一工程原体观测和物理模型试验的验证因此研究成果具有学术价值和工程实际意义1数学模型1.1基本方程静水压强假定条件下的非恒定三维带浮力修正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作者简介:郝瑞霞(1965-),女,山西浑源人,博士,副教授,主要从事环境水利和冷却水工程方面的研究.1水利学报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各系数表达式为e=+tt=ck/G=µ+F=(-u2i+u1j)kt∂x∂x∂xjjiµt∂T=2esineG=−βgbσ∂zT温度方程式(5)中的源汇项QR可按下式计算qSSSSQ=Q+QδQ=−k(T−T)(6)RRRRs∞非恒定潮位过程可通过对水深平均的动量

7、方程求散度并使之满足水深平均连续方程从而生成如下的水位Poisson型控制方程∂()ρξ∂n∂∂ξ+()ρHU=ρq+ρg∆tH+G∆t(7)∂t∂xi∂x∂xmiii其中源系数表达式为∂2∂U∂U∂∂2()ji()B()Gm=Hµe+ρDV++Fi−τi−ρHUiUj(8)∂xi∂xj∂xi∂xj∂xi∂xi∂xj式中xi为直角坐标t为时间H为水深Ui为水深平均流速ui为三维流速为水位F为柯氏力DV为水深平均产生的流散系数T为温度k为紊动动能为紊动动能

8、耗散率q为单位面积的流量源汇为水的密度a为空气的密度g为重力加速度为体积膨胀系数e为紊流有效黏性系数为分子B黏性系数t为紊动黏性系数τ为底部摩阻应力T为紊流Prandtl数Rf为通量Richardson数cp为iqS定压比热QR为单位时间内排放到系统内的单位质量流体上的热量源汇QR为单位时间内单位质量流体向2水利学报2004年8月SHUILIXUEBAO第8期SSSS大气的散热量为间断函数在水面=1.0在水面以下=0.0Ks为水面综合热散系数T为水体表面