流体机械稿件信息
电厂温排水热扩散三维数值模拟研究
佘格格
（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌，443002.）
摘要:为分析河道电厂温排水运输扩散情况，基于非结构三角形网格的有限体积法求解三维水动力与温度运输模型。经实测资料验证，模型方法可行，参系数取值合理。计算结果表明，温排水与河道水流发生掺混后，温水主要分布在排水口下游沿岸局部区域，并形成扁长状热扩散带。河道流量越小，温排水影响范围越大。随着水深增加，温升数值逐渐减小，温升带包络范围以表层温升分布为主。
关键词: 温排水；三维模拟；数值模拟
中图分类号:
文献标识码:
Research on 3D numerical simulation and diffusion characteristics of cooling water from power plants
（1.College of Hydraulic and Environment, China Three Gorges University,Yichang,Hubei,443002.）
Abstract: In order to analyze the law of heat’s diffusion and transport of cooling water from a power plant in Jiangxi Province, a three-dimensional hydrodynamic and temperature transport mathematical model which was based on finite volume method for unstructured triangular mesh were used to predict simulation results under two different conditions. It was verified by the observed data that the method was feasible and the parameters were reasonable. The simulation value reflected that mixing water distributed along the downstream coast forming a long flat zone. As river flow decreased, the influence range of cooling water became larger. With the increase of water depth, the temperature rise value gradually decreased. The thermal diffusion was obvious in upper layers.
Key words: cooling water; thermal discharge; numerical simulation
引言
温排水是指电厂冷却水中温升约10℃并经由电厂重新排回自然水体的那部分水，会引起工程附近河道水体温升变化。同时温排水扩散引起的取水温度升高会降低机组的效率，甚至由于过度的热回归效应而导致停机[1]。温排水扩散问题涉及到取排水平面布置，是工程的一个核心技术问题。因此，温排水温度三维分布的研究对指导电厂设计与控制水体污染等方面具有重要的现实意义。
1 三维数学模型建立
1.1 控制方程
为适应水域床面和自由表面变化缓慢，选用σ坐标描述浅水流动和温度输运三维数学模型。这样数值离散与计算过程中，计算域在垂向可以分为相同的层数，带来了网格剖分和数值离散的方便[2]。同时在σ坐标下可以精确地给定床面和水面的边界条件，使结果在垂向有较高的分辨率。
1) 三维水流运动方程
笛卡儿坐标系下的水流运动控制方程为：
（1）
（2）
（3）
其中：
（4）
（5）
（6）
其中：
、
、
—在x、y、z方向的流速分量；
指通过某一
坐标层的流速；h —水深， f —柯氏力系数，
，
为地球旋转角速度，
为地理纬度；
—重力加速度；
—水体密度，密度为温度和盐度的函数，
；
—参考密度；
—水平紊动粘性系数；
—垂向紊动粘性系数；
—大气压强；
、
—排入环境水体中的水流流速；
—点源流量；
2) 温度运输方程
（7）
（8）
其中：
—点源的温度或温升；
—水平热扩散系数，
，
—普朗特常数；
—垂向热扩散系数，
；
3) 紊流方程
水平方向采用Smagorinsky模型[3]确定水平方向紊动粘性系数，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。即
。其中
；
为常数，取0.28，
为特征长度。
垂向紊动粘性系数采用Coleman抛物线分布确定，即：
。其中，
为水深；
为河床底部摩阻流速；
与
为系数，分别取值为0.41和-0.41。
1.2 初始条件
水动力计算时，初始时刻水域中各点初始温升取为0或是取水口温升值对结果精度影响不大。所以模型中初始流速均设置为0，初始水位为计算条件中各时期河段平均水位。模型边界由自由表面与床面组成。水气界面上的流速边界条件由刚盖假定给出。自由表面处温度由表面散热条件确定，床面上温度满足绝热条件。
2 数值计算方法
研究采用基于非结构三角形网格的有限体积法求解温排水运动的数学模型[4~6]。为了适应地形的复杂变化，研究中采用非结构三角形网格对计算区域进行离散，选用网格中心式的有限体积法离散控制方程。三维水流模型求解时，时间积分采用半隐格式，将水平项的时间积分采用二阶龙格库塔格式，垂直项的时间积分采用二阶隐式梯形格式。在三维温度输运方程的求解中，将水平与垂直非粘性项采用二阶龙格库塔格式，垂直粘性项采用二阶隐式梯形格式积分。
3 模型验证
在验证计算时采用某电厂实测资料。验证内容包括水流验证及水温验证，水流验证内容有水面线、断面流速分布和分流比验证。
水文测验沿程共布设6个水尺，实测期间沿着计算河段布置了Cs1~Cs5共5个，在排水口上下游布置了3个采样点，分别位于排水口上游50m、排水口末端中点和排水口下游500m处，进行同期垂线点温升观测，具体布置情况如图1所示。电厂已建2×300MW机组，夏季用水量约25.0m3/s，排水温升约9.0℃；冬季用水量约15.0m3/s，排水温升约14.0℃。共布置了20330个网格节点和39430个计算单元，在垂直方向对水体进行分层，层数为20。
图1 各断面布置图
1）水位验证成果
采用实测的水面线资料(21900m3/s)进行糙率率定，采用水面线资料(Q=11700m3/s)进行水面线验证，其成果见表1。
表1 水位验证成果表 m
表1 水位验证表 单位：m
|
水 尺 |
实 测 |
计 算 |
误 差 |
|
水尺1 |
7.25 |
7.24 |
-0.01 |
|
水尺2 |
7.13 |
7.15 |
0.02 |
|
水尺3 |
7.08 |
7.09 |
-0.01 |
|
水尺4 |
6.95 |
6.93 |
-0.02 |
|
水尺5 |
6.89 |
6.88 |
-0.01 |
|
水尺6 |
4.11 |
4.13 |
0.02 |
2）断面流速验证成果
由于篇幅限制，图2为其中Cs1断面垂线平均流速分布验证图，表2为计算与实测垂线平均流速对比表为，统计得到各断面上不同测点计算与实测流速间误差一般均在0.10m/s内。
图2 流速计算值与实测值对比图
表2 测流断面计算与实测流速对比表 单位: m/s
|
垂 线 点 |
CS1 |
CS2 |
CS3 |
CS4 |
CS5 |
|||||
|
实测 |
计算 |
实测 |
计算 |
实测 |
计算 |
实测 |
计算 |
实测 |
计算 |
|
|
1 |
0.69 |
0.76 |
1.37 |
1.30 |
0.35 |
0.34 |
0.33 |
0.29 |
0.71 |
0.72 |
|
2 |
0.97 |
0.96 |
1.29 |
1.32 |
0.54 |
0.52 |
0.46 |
0.50 |
1.13 |
1.18 |
|
3 |
0.94 |
1.02 |
1.34 |
1.42 |
0.74 |
0.69 |
0.65 |
0.67 |
1.24 |
1.27 |
|
4 |
1.09 |
1.09 |
1.29 |
1.32 |
0.85 |
0.87 |
0.73 |
0.78 |
1.24 |
1.22 |
|
5 |
1.13 |
1.09 |
1.10 |
1.12 |
0.97 |
0.94 |
0.82 |
0.83 |
1.10 |
1.06 |
|
6 |
1.08 |
1.05 |
0.93 |
0.86 |
1.08 |
1.06 |
0.83 |
0.81 |
0.93 |
0.88 |
|
7 |
0.89 |
0.90 |
0.67 |
0.63 |
1.13 |
1.03 |
0.80 |
0.79 |
0.75 |
0.71 |
|
8 |
0.61 |
0.66 |
0.46 |
0.46 |
0.19 |
0.25 |
0.82 |
0.73 |
0.45 |
0.46 |
|
9 |
0.50 |
0.49 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
0.42 |
0.37 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3）汊道分流比验证
对测流时汊道分流比进行了验证，见表3。由表中可见，汊道分流比误差均在1%内，说明汊道分流比验证较好。
表3 汊道分流比验证表
