（水力学及河流动力学专业论文）潮汐水域水力热力特性的模拟及工程应用.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 潮汐水域水力热力特性的模拟及工程应用 摘要 冷却水系统是火核电厂的一个重要组成部分，邻海地区建设的火核 电厂往往取自然水用于冷却，然后将冷却后的废热水排回取水水源。新建 或扩建电厂过程中必须考虑如何合理地布置取排水工程，使电厂尽可能取 到低温水，同时应使废热在水环境中得到充分的散失，减少对环境水域的 影响。 数值模拟和物理模型试验是分析温排水在受纳水域中扩散运移规律的 有效方法，可以模拟电厂冷却水排放所产生的流速场、温度场，分析热量 的影响范围、时间及强度，优化取排水口工程布置。本文结合可门电厂工 程实际，采用数值模拟和物理模型试验相结合的方法，对电厂附近潮汐水 域的水力热力特性进行了系统的研究。主要研究内容包括： 1 进行了大量的文献查阅，对冷却水工程温排放的物理模拟和数值模 拟研究方法有了较全面的了解，对物理模拟的相关问题作了进一步的探索。 2 对潮汐水域水力热力物理模型的相似原理以及温排水的模拟要点进 行了分析。 3 采用分步杂交法对工程海域的潮汐流动进行了数值模拟，模拟的潮 流特性经过实测资料验证，为物理模型水流边界控制提供了依据。 4 采用全潮变态物理模型对可门电厂附近海域的水力热力特性进行了 模拟，对典型潮型的潮位、流场进行了验证，模型潮位与实测潮位吻合良 好，各测点流速、流向与实测数据基本一致，为温排水模拟提供了良好的 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 流场基础。 5 对电厂附近水域的温度场进行了物理模拟。针对二期取水口的两个 布置方案，给出了大、小潮全潮平均温升分布、全潮最大温升分布及取水 温升过程线。 6 利用数学模型和物理模型相结合的方法，进行电厂温排水水力热力 特性的研究，可以互相取长补短，研究方法更趋于合理化，具有一定的学 术意义和较高的应用价值。 关键词：冷却水，潮汐水域，水力热力特性，物理模型，数学模型 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m 肿l a t i o na n da p p l i c a r i o n a b o u th y d r a u l i ca n dt h e r m a i ， c h a ra c t e r i s t i ci nt i d a la r e a a b s t r a c t c o o l i n gw a t e rs y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so f t h ef i r ea n dn u c l e a r p o w e rp l a n t p o w e rp l a n t sb yt h es e aa l w a y su s es e a w a t e ra ss o u r c et oc o o lt h e e q u i p m e n t s ，t h e nd i s c h a r g ei ti n t ot h es e a h o w t oa r r a n g et h ei n t a k ea n do u t l e t p r o j e c t s ，w h i c hm u s tb ec o n s i d e r e dw h e nb u i l d i n ga n dr e b u i l d i n g 恤ep o w e r p l a n t s oa s t ot a k el o w - t e m p e r a t u r ew a t e r ，a n de n s u r ew a s t eh e a tc a hb e d i s s i p a t e df u l l yi n t ow a t e r ，s oa st od e c r e a s et h ei n f l u e n c et oe n v i r o n m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a lm o d e la r ee f f e c t i v em e a n st oa n a l y z e t h ed i f f u s ea n dt r a n s f e rr u l eo fw a r f f lw a t e ri na c c e p t a n c ew a t e r , w h i c hc a i l s i m u l a t et h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，a n a l y z et h eh e a ta f f e c t e da r e a , t i m e a n di n t e n s i t y , t oo p t i m i z et h et a k i n ga n dd i s c h a r g i n gd i s p o s a l i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i mk e m e n p o w e rs t a t i o n , t h eh y d r a u l i ca n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i ci n f u l lt i d es e a l t h ep o w e rs t a t i o nh a v eb e e ns t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p h y s i c a lm o d e ls y s t e m i c a l l y t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 l o o k i n gu pm o r el i t e r a t u r e ，u n d e r s t a n dt h er e s e a r c hm e t h o d so f p h y 7 s i c a l m o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nc o o l i n gw a t e re n g i n e e r i n g s e a r c ht h e r e l a t i v ep r o b l e m so f p h y s i c a lm o d e lf u r t h e r i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 a n a l y z et h es i m i l a rp r i n c i p l eo fh y d r a u l i ca n d t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，a s w e l la st h es i m u l a t i o no u t l i n ei nc o o l i n gw a t e r sp h y s i c a lm o d e li nt i d a la r e a 3 a d o p t t i n gh y b r i dm e t h e d o ff t a c t i o n a l s t e p s ，c a r r y o u tn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft i d a lf l o wn e a rt h ee n g i n e e r i n g ，a n dv a l i d a t ei tw i t ho b s e r v a t i o n s ， p r o v i d ei n f o r m a t i o n sf o rc o n t r o l l i n gw a t e rb o u n d a r yi np h y s i c a lm o d e l 4 u s i n gf u l lt i d ed i s t o r tp h y s i c a lm o d e l ，s i m u l a t eh y d r a u l i ca n dt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i ct ot h ew a t e rn e a rk e m e np o w e rs t a t i o n , v a l i d a t et ot i d a ll e v e la n d f l o wo f t y p i c a lt i d e ，t h et i d a ll e v e li nm o d e li sa c c o r d i n gb e t t e rw i t ho b s e r v a t i o n s ， t h ev e l o c i t ya n dd i r e c t i o na r ec o n s i s t e n tw i t ho b s e r v a t i o n sb a s i c a l l y 5 s i m u l a t es e a r w a t e r st e m p e r a t u r ef i e l dn e a rt h ep o w e rs t a t i o nu s i n g p h y s i c a lm o d e l p r o v i d et h el a r g e s tt h e r m a lf i e l d s ，t h ea v e r a g et h e r m a lf i e l d sa n d i n t a k i n gt h e r m a lp r o g r e s s i ns p r i n gt i d ea n dn e a pf o rt h es e c o n dp e r i o d s i n t a k i n gs c h e m e s 6 s t u d i n gt h eh y d r a u l i ca n dt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i ci nc o o l i n gw a t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a lm o d e lc a nr e i n f o r c ee a c ho t h e r , w h i c hi s m o r er a t i o n a l i z a t i o n s oi th a sm o r ea c a d e m i cm e a n i n g sa n dh i g h e ra p p l i c a t i o n v a l u e s k e y w o r d s ：c o o l i n gw a t e r , t i d a la r e a , h y d r a u l i ca n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ， p h y s i c a lm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞墼羔 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 茑煎墨 日期：堑z 三! 导师签名：堑叠! 蒸日期：立! z 竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章综述 废热是人类活动向周围排放的一种废弃物。各工厂、企业排放废热的途径主要有两 种：一是以烟、废气为载体直接将废热排放于大气中；二是随废弃水排放到江河湖海等 天然水域或人工建造的水库、冷却池中，通过水面散遗掉。由于热量在水中的扩散速度 远远小于它在大气中的扩散速度，因此，热水排放及其对水环境的影响较早获得了有关 部门的重视。 近年来，随着国民经济的发展，河流、海湾、湖泊和水库受工业废水或生活废水的 注入而引起的水环境问题已不容忽视，如何正确地预报水域水质的变化情况，防止环境 污染及水生物链的损害是目前的重大研究课题。而工业废弃水中常常伴有不同程度的废 热存在，因此，热排放问题也是水环境预测、保护中经常遇到的问题。1 9 8 4 年联合国海 洋污染专家组( g e s a m p , 1 9 6 9 年成立) 编写的“t h e n m ld i s c h a r g e si nt h em a r i n e e n v i r o n m e n t ”即是对世界各国科学家前十几年在温排水领域研究成果的总结。温排水 以及由此引起的水质、生态环境影响的研究已成为世界各国海洋环境学家十分关注的重 要课题。 火核电厂是向水环境排放废热的主要单位。尽管现代科学技术已很发达，但电厂 的热效率仍很低，仅为3 0 4 0 9 6 左右，多余的热量须通过冷却水循环系统带走以保证机 组安全运行。一个百万千瓦的火电厂，冷却水流量约为3 0 4 0 m v s ，湿升约比环境水温 高8 c 1 0 c 左右。这样携带巨大能量的温摔水，采用水面冷却时，便要带进附近水域 大量废热。利用天然水域释热的方法涉及到两方面的问题：( 1 ) 冷却水取水温度的高 低直接影响电厂的发电效益，如何合理地布置取排水口，充分利用水面资源散热，使电 厂能取到低温水，避免发生热水短路现象，是厂方一直关注的问题；( 2 ) 冷却水排入 附近的受纳水域中，不仅会引起受纳水域水温变化，而且对水质、水生物等会产生许多 连带影响，严重时会发生热污染现象。围绕热引起的水环境污染问题，国内外己开展了 多方面的研究工作，例如对重要水生物在不同水温条件下生长、繁衍的比较性研究等。 另外，大型核电厂冷却水中有时包含不同程度的低放射性物质，这对环境的影响更不容 忽视。上述两方面问题的深入研究都要求对受纳水域的温度进行合理的预报和控制，其 太原理工大学硕士研究生学位论文 基础就是对受纳水域温度分布的定量描述。 1 2 水环境中废热散逸的机理 废热水由排水口注入受纳水域后的流动情况，除具有一般均质水射流的特点外，还 具有以下特征，主要表现在嘲：( 1 ) 温度的存在不仅有其自身的对流扩散机理，而且它 的存在改变了受纳水域的密度分布，出现由冷热水密度差引起的分层流现象，分层流动 的存在反过来又影响水流的运动及温升分布，若受纳水域原来就是非均质的，情况将更 加复杂，例如在江河的入海口，将出现热水、淡水和盐水的多层流动现象；( 2 ) 受纳 水域表层温度的升高增加了水面向大气的蒸发、传导和热辐射效应。正因为如此，温排 水的注入破坏了水域的自然状态，出现了热量、能量的重新分配和传递，在掺混稀释、 动量传递、浮力延伸、对流扩散及运动阻力等方面都有特殊的规律。在排水口热水出流 附近的局部区域( 近区) ，湍动掺混稀释、排水动量起主导作用，排水工程的结构、出 流方向、排水量、排承温度、射流的湍动特性、环境水流流动情况以及周围地形都会对 掺混稀释的效果产生影响，从而影响到近区以外水体的温升分布。近区之外的广大区域 ( 远区) ，影响水体的主要因素是对流扩散、浮力延伸和水面散热，多数情况下会出现 冷热水分层现象。在近远区之间还存在一个各种因素共同作用的过渡区。 1 3 研究方法 针对废热在水环境中随水流的扩散、迁移变化规律，主要研究方法有：理论分析、 原型观测、数值模拟和物理模型试验。 理论分析揭示的是水流运动的普遍性的规律，它应用经典力学理论建立了水流运动 的三大方程( 即连续性方程、动量方程和能量方程) 。由于方程为非线性偏微分方程， 只有在特定的条件下，可根据求解问题的特性对方程和边界条件做相应的简化，得到其 解析解。而实际工程中受不规则固体边界和来流条件的约束，一般无法求得理论解。 原型观测是在野外或水工构筑物的现场对水流运动进行观察，收集第一手资料，为 理论分析成果或总结某些基本规律提供依据，也可以为物理模型及数值模拟提供验证数 据。但原型观测需要较大的人力、物力，受客观条件的限制，往往不易得到完备、系统 的资料。 数值模拟是将描述水流运动的方程组，采用离散化方法，建立数学模型，并通过计 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 算机进行计算，得到时间和空阀上离散点各变量的值，从而对流场进行定量的描述。数 值模拟方法有其突出的优点，所有试验条件都以数字形式给出，对流体无扰动，不存在 缩尺效应，不受实验场地和观测仪器影响。数值模拟时间取决于计算机速度和计算方法， 某一数学模型及其计算程序完成后，对同类问题具有普适性，可被反复引用。因此，数 值模拟方法具有高效、经济、简便的优点。数值模拟也有其局限性，主要表现在：数 值模拟依赖于控制方程的可靠性，计算结果也不能提供任何形式的解析表达式，只有有 限个离散点上的数值解；数值模拟的可靠性和精度取决于数学模型、离散方法、边界 处理等各环节，处理不当将难以准确地表达实际情况，甚至造成伪物理现象；数值模 拟往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数；数值模拟中还存在着一些 深层次的问题有待进一步探索，例如自由面处理、紊流模化等。鉴于上述局限性，在水 环境中，针对热水掺混、扩散和迁移问题，同时能模拟近区和远区的三维模型，并应用 于工程实际中的实例并不多见。 物理模型试验是根据水流流动特性，抓住影响水流运动的主要作用力，按照相似准 则，将原体缩制成模型，使模型模拟与原体相似的流动情况，对模型进行观测，取得试 验数据后，再按照模型比尺将模型结果引伸于原体，对自然现象进行研究的方法。目前， 物理模型试验在研究热水近区掺混，过渡区浮力延伸，预报排水近区温升分布，并结合 工程实际，优化取排水结构、布置形式等方面起着不可替代的作用。与数值模拟梧比， 物理模型具有投资大、周期长，灵活性差的特点。同时物理模型试验也存在着如缩尺效 应、变态影响等深层次问题。 目前，数值模拟与物理模拟缺一不可，它们互相补充，取长补短，在工程设计和环 境评价中起到了重要的作用。文献 3 通过对潮汐水域电厂冷却水运动进行的研究，认 为若能妥善处理边界条件，正确选择相似准则，在复杂地形的不稳定水域，数值模拟、 物理模拟基本能准确的重演冷却水运动的水力、热力特性。文献 4 对临近河1 3 的两座 大型电厂的温排水分别进行了数值模拟与物理模拟，指出物模预测与数模试验同时进 行，经济性与准确性可同时兼顾。文献 5 指出数学模型为物理模型提供必要的边界条 件。可以克服试验场地，模型比尺的限制，减少物理模型的工作量，提高物理模型的可 信度，反过来物理模型的试验结果又能对数学模型的结论、提供的边界条件进行验证。 文献 6 在数模研究的基础上，通过物理模型试验对电厂冷却水工程进行了多方案比较， 提出了最优的取排水1 3 布置方案。文献 7 ，认为物理模型与数值模拟是相互补充而不 是相互竞争关系，在目前的技术水平下二者还不可以完全相互取代，在模型试验中，二 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 者如取长补短，共同使用，其结果比单一方法更精确，解决问题的范围更广泛。 1 4 水力热力数学模型简介 水力热力数学模型分类方法很多，根据温差水体中流体流动及温度变化的区域特 性可分成近区模型、远区模型；根据数学模型所能描述的因变量空间分布的维数可分 成：零维模型，一维模型，二维模型，三维模型；根据对湍流封闭的情况可分成：零 方程模型、单方程模型、双方程模型等。现从冷却水工程的应用出发，按近区、远区分 两类对各种常用数学模型作如下的介绍： ( 一) 近区模型 近区模型是用于预测排水口附近区域的水流特性和温度分布的数学模型。其中最 经典的是射流积分模型。它始于六十年代后期，七十年代有较快的发展，提出的模型有 二十多种，文献 8 ，9 用该模型模拟了圆孔表面浮射流和圆孔射流注入分层水体中的近区 射流特性。射流积分模型的基本思路是：首先假定沿射流各个断面上的流速分布、温度分 布等存在自相似性，通常将射流近区分为初始段和主体段，初始段是射流流态形成区， 沿程侧向断面上各因变量的变化多用椭圆分布近似，主体段是射流流态发展区，沿程断 面上各因变量的分布多用高斯分布逼近。其次必须对射流的厚度作线性扩展假定或对射 流从侧边卷吸流体的流量作出一个卷吸假定，常用卷吸系数表示并近似认为是常量。对 有环境来流的情况还应确定绕流阻力系数。射流积分模型是在上述假定的基础上，根 据质量、动量和热量的守恒原理，对与射流轴线垂直的横断面上积分获得的。 射流积分模型虽然能估计射流近区速度、温度的空间变化，但对于有横流的湍浮力 射流问题，实测资料表明以上假定是不完全符合的，虽针对冷却水工程的实际情况进行 过一定程度的改进工作，也有用该模型估算近区温度场的实例“”，但一般仅在电厂厂址 选择和可行性研究阶段采用。 模拟近区问题的最根本方法是在已知的边界条件和初始条件下，直接求解水流的控 制方程组。由于近区中的掺混现象与流速脉动、压力波动以及由此引起的雷诺应力和雷 诺热流的变化密切相关，因此，数学模型预报的成败往往取决于湍流模型的精确度。很 多学者致力于这方面的研究，取得了不少成果“”，但大部分情况下，近区问题以正态 物理模型试验为主。 ( 二) 远区模型 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 远区模型主要描述热量或污染物随水流的运移规律，估计大范围内的水温及流速分 布情况。在电厂厂址选择、工程投标和初步可行性研究阶段，往往不需要进行详细的温 度预报，只要求初步估算受纳水域与周围水、气的热交换总量和水体的蓄热能力，分块 模型“”和网络法模型“”就可达到此目的。这些方法一般从水流的连续性方程和热平衡方 程出发建立控制方程组，物理意义明确，计算工作量小，基本上是零维模型。当所研究 问题只考虑变量沿主流的断面平均特性就可以满足精度要求时选择一维扩散模型为佳， 如宽浅河道的水力热力模型“”；或者所研究问题相当复杂常采取不同方向一维组合模型 进行分析研究，例如文献 1 6 - 1 8 中针对水库、冷却池和湖泊进行水温预报的多用途通用 模型。下面着重介绍广泛应用于冷却水工程的二维、准三维远区模型。 ( 1 ) 平面二维浅水环流模型 对于大范围江河、湖泊及海湾的水环境预报问题，由于水深相对较小，且多变化， 加之岸线形状复杂，为了简化计算，往往忽略物理量沿水深方向的变化，将n - s 方程沿 水深方向积分，从深度平均的平面二维水流运动方程出发进行计算。该类模型未涉及 温度分层问题，一般假定密度不随温度发生变化；同时假定自由面变化非常缓慢，不计由 于流动非恒定、地形变化、风应力等作用而产生的动水压力，压力服从静压分布。对湍 流的模拟一般采用粘性系数为常数的扩散模型或者粘性系数和速度相关的零方程模型。 上述既实用又比较合理的假定，使得平面二维浅水环流模型在冷却水工程、环境 工程中获得了广泛的应用，工程需求又反过来促进了模型的发展，使其更加通用化。它 可以计及惯性力、重力、柯氏力、湍流粘性应力、风应力和底部磨擦力的作用，还能考 虑水下地形、茸由水面交化的影响，温度方程中考虑了温度随水流的输移、扩散和表面 散热等物理现象，模型既可用于恒定流动也可用于非恒定流动。 浅水控制方程组的数值计算方法主要有：( 1 ) 分布杂交法，该方法采用三角形网 格系统，将计算的每一时间步长分成两步进行。前半步采用特征线法，主要考虑对流效 应；后半步采用集中质量的有限元法，主要考虑扩散效应。由于三角形网格便于逼近各 种复杂边晃，此法被广泛应用于平面二维浅水环流问题陆翻；( 2 ) 有限差分法，它是 广泛应用于流体流动的经典方法，该方法多采用交错网格系统，其精度、稳定性直接和 差分格式有关，很多学者致力于这方面的研究。 平面二维浅水环流模型在应用中除不能预报因变量沿水深的变化外，还有以下缺点： ( 1 ) 由于它是一远区模型，很难确切给定近区的边界条件，需要参考物理模型的试验 成果或通过原体观测确定；( 2 ) 由于深度平均的缘故，使得扩散系数不仅反映扩散效应， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 而且必须计入各变量沿深度分布不均匀导致的流散效应，扩散系数的取值范围仍较宽， 一般为1 0 0 一1 0 2 量级。 ( 2 ) 准三维远区模型 在大范围温差水流运动中，常常会出现由冷热水密度差引起的温度分层。为了模拟 这种现象，有必要开发三维模型。在远区计算中，一般垂向速度远远小于水平方向的速 度，把水深方向动量方程中所有包含垂向速度的项省略，变成静压方程，垂向速度通过 连续性方程求出，同时考虑密度随温度的变化，这种假定压力服从静压分布的三维模型 通常称为准三维模型。 准三维模型多用常系数的湍流模型，称为准三维远区模型。最初的三维远区模型一 般采用分层求解的方法乜“，随着计算机和计算技术的发展，目前多采用整体联立求解 的方法，文献 2 6 用该模型对广东岭澳核电站低放废水浓度、温度分布进行了数值模拟。 从湍流模拟上讲，平面二维浅水环流模型和准三维远区模型是相当粗糙的，为了克服 扩散系数取值上的不确定性，许多科研人员研究了更精细的湍流模型。近年来，国外有 将准三维湍流模型应用于冷却水水温计算的实例”1 咖。 ( 3 ) 深度平均的k s 模型 1 9 8 0 年，w r o d i u ”首先提出了深度平均的k f 模型。它的基本思想是：用k 一占模 型封闭雷诺时均方程，仿照平面二维浅水环流模型的思路，不仅对速度、温度等时均量 沿水深取平均，而且对湍动能、湍流耗散率也取水深平均，同时考虑水体近底流区的垂 向速度梯度引起的附加湍动能产生项和耗散项，使得平均的湍动能、湍流耗散率能较好 地反映水深平均效应。文献 3 0 从冷却水工程的实际出发，对上述模型作了改进。并将 其应用于陡河电厂冷却池的温度模拟上。文献 3 1 将该模型与离散型坐标变换法相结合， 对株洲电厂排水口附近弯道水流及温度分布进行模拟和预报。 1 5 水力热力物理模型简介 水力热力物理模型是在水流特性模拟的基础上，增加了温度变量，使试验考虑因素 增多，不仅要求模型水流与原体相似，还要求冷热水产生的浮力分层相似。对于潮汐水 域温排水的物理模型试验，应首先通过控制模型的边界流量或水位，使模型水流能反映 潮流特性。一般潮流开边界条件由原体观测资料或经过验证的数模计算结果给出。 潮汐水域流动具有非恒定性，水体随涨落潮流向也有变化，一般在湾口具有螺旋流 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 特点，而开阔水域或深槽为往复流动，在试验规划阶段，需根据研究任务和试验条件的 不同，选择合适的模拟范围和几何比尺。为了考虑热水随涨落潮而产生的热量累积效应， 模拟范围一般不宜太小。 如果模拟范围大，相应水深浅，多采用垂向几何变态模型若对取排水工程需进行 优化，近区浮射流特性( 如热水带范围、厚度) 需特别关注，模型几何变态又不宜太大。 如何两者兼顾，选择合适的比尺和变态率是模型设计的难点。如无法兼顾，若资金允许， 可选择一个整体模型和一个局部正态模型互相配合。水力热力模型通常为整体模型，但 有时为了满足模型布置上的要求，将流线看成固体边界设计为半整体模型。 关于水力热力模型设计原理、相似准则等我国科研工作人员已进行了大量的研究， 积累了丰富的经验嘲啪儿蚓，同时国内外学者还对一些问题进行了专题讨论，例如风对温 度场的影响司、紊动熟扩散嘲、几何变态效应咖渊嘲等。 1 6 论文的研究任务 论文针对潮汐水域温排放的特点，进行了大量的文献阅读，对目前国内外研究现状、 研究方法进行了综合评述。在此基础上，结合可门电厂具体工程问题，进行了平面二维 潮汐水流的数值模拟工作，为近区物理模型试验提供了水流边界条件。同时对电厂附近 工程水域进行了全潮温排放水力热力物理模型试验。具体工作有： ( 1 )对水力热力物理模型试验涉及的问题( 如相似理论、设计方法、潮流模拟、 几何变态等) 进行了系统的分析。 ( 2 )利用平面二维浅水环流模型，对电厂附近工程海域潮流进行了数值模拟，获 得了大、小潮各时刻的潮位、流速数据，模拟结果与原体观测基本吻合。 ( 3 )在潮流验证的基础上，采用全潮小变态半整体物理模型，对电厂附近水域的 水力热力特性进行了模拟研究。 ( 4 )在潮汐水流模拟的基础上，分析热水随潮流运动的变化规律，给出二期不同 的取水方案下，模拟水域的温升分布及取水温升。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章潮流运动的数值模拟 2 1 深度平均的潮流运动方程 对于河口或大型水库，往往垂向加速度与重力加速度相比很小，可以忽略，假定压 强沿水深的分布为静压分布，由n - $ 方程简化后得准三维流动基本方程为： 塑+ 鱼+ 坐；0(一102 - 1 ) + + 一= lj 出砂岔 塑+ 甜塑+ v 丝+ w 丝：一三生+ j f i , + 兰r - v 2 ( 2 2 ) 百枷瓦+ v 石+ w 石2 一万玄 + 万v u 塑+塑+v生+加：一三塑一fu7w - - + 堂一v 2 1 ，( 2 3 )+ 一+ v 一十 = 一一二一 十l 一1 ， z 。j ， a孤 谤现p砂p 罢=喘(2-4) 2 1 1 深度平均原理 当模拟水域的水平尺度远大于垂向尺度，水平流速远大于垂向流速时，物理量沿水 深方向的变化相对沿水平方向的变化要小的多，略去物理量沿水深方向的变化，将上述 三维流动的基本方程组沿水深方向积分，再取水深平均，应用莱布尼兹公式进行变换“们， 可得到沿水深平均的二维流动基本方程。 1 沿深度积分 应用莱布尼兹公式变换，坐标系见图2 1 。 毒跽厂( x , x z , x 3 ) 如= 瑶如+ f l ，差一，b 等 ( 2 5 ) 面= 吉胁 ( 2 - 6 ) h h 3 式中：i i _ 水体总体深度，i 戳件；h 一从平均水面算起的水体深度； e 一从平均水面算起的水体高度；面流速、压强等变量的平均值。 x 方向的平均速度分量： 订= i 毛e z 庇 y 方向的平均速度分量： 矿= i 1 丐吡 9 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 对某点任意深度流速值可以表示为垂向平 均流速加上一脉动值。即： = f f + u ，v = 矿+ v 7 且：昏d z = 0 ，d c l z = 0 2 底部及水面运动条件 0 三盏蜘 底部阻力沿x 方向分量： = 嘉p “万了 ( 2 9 ) 底部阻力沿y 方向分量： f ；b = 丢届万 ( 2 1 0 ) 底部运动学条件：矿= 0 ， v 6 = 0 水面运动学条件：矽铲筹+ “i ，豢+ v b 筹 ( 2 - 1 1 ) 式中：c 一谢才系数，c ：! 日；n 一底部糙率系数；u 、v x 、y 方向的流速。 2 1 2 基本方程 将准三维运动方程应用上述原理，结合底部和水面运动条件，取水位平均后得平 面二维运动方程为： 连续性方程： 堑+ 塑! + 旦盟：0 a r缸 砂 动量方程： ( 2 1 2 ) 署+ 考+ v 考= 一g 篆+ 声一番：丽+ 南+ 百1 瓦oc 爿寻o u + 百1 万c oc 爿髟矽o u 扣罢+ v 考叫蒡咖南厢+ 刍+ i 1 否ot 爿巳o v + 万1 万o 矽o v ( 2 1 3 ) 其中：气= r , c o s o ；= t , s i n o ；l = c d 岛2 ；日= + f5 厂：2 国s i i l 矿；c ：三r ；c 。一与风速有关的无量纲系数 肝 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 变量及参数说明 t a b l e 2 - te x p l a i no f v a r i a b l ea n dp a r a m e t e r 变 物理意义单位 量 f 相对基准面水位 m 基准面以下水深m 日 水深m f 时问 s p 水的密度k g m p 。 空气的密度k g m g ， 重力加速度 耐 c 谢才系数 m l r l k h 糙率系数 s m l o r 水力半径m 变 物理意义单位 量 蜥风速m s 口 风向角度 t a d f 柯氏力系数 s - 1 0 3 地球自转角速度 r a d $ 当地纬度 r a d f ， 表面风应力 n m 2 g jy坐标m “，v 水深平均流速 m s f 盯 表面风应力在x 方向分力 n m z r a y 表面风应力在y 方向分力 n m z 2 1 3 定解条件 1 初始条件： “( x ，y ，o ) = 甜o ( x ，) ，) v ( x ，y ，o ) = v o ( x ，_ y ) f ( 工，_ ) ，o ) = f 。( z ，y ) 2 边界条件 陆地边界：采用滑移条件，即旷五= 0 ，潮间带采用动边界模拟处理。 水边界：由实测资料推求，给出潮位变化过程f i 承边界2 f “) ，0 2 2 控制方程的离散 本文采用分步杂交法对上述方程进行了数值离散和求解。分步杂交法算法简单， 稳定性好，它采用三角形网格，能适应不规则的几何形状和边界条件分步杂交法对运 动方程中的对流项和扩散项分别给予各自最合适的处理格式，将计算的每一时间步长分 成两个半步进行，前半步采用特征线法，主要考虑对流效应，后半步采用集中质量的有 限元法，主要考虑扩散效应。具体离散方法如下： 对流作用较强的近岸海域，对流效应远大于紊动扩散效应，涡粘性系数和扩散系数 奎垦堡三奎兰堡主竺型竺兰堡堕墨 一一 的取值对计算结果的敏感性并不大，因而在计算过程中经常对涡粘性系数进行适当的处 理，使t = 氐= s ，其变化与水深流速有关。 ：1 ，、o 。h ，习o h 1 ，因而可以将方程( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 简化成： 爿麟卯 詈+ “罢+ v 万o u = 一g 善+ 夕一番厢+ 磊+ s ( _ 0 2 u + 矿0 2 n ，l 謇+ “塞+ v 言叫苦一乃一番厅万+ 盖+ 占謦+ 矿0 2 3 ：j c z 州， 瓦栅瓦+ v 石2 _ g 亩一弦一赢们+ v + 葱竹。丽十矿j ” 利用分步方法将方程式( 2 - 1 4 ) 分解为： ( 1 ) 在前半分步以a t t 。+ a t 用特征线方法求解方程： 三2 笙o t 笙o x 等= 。砂i 三2 监o t ，竺o x 舻等= 。j ( 2 - 1 5 ) 硒) 用改犁特征线方法计算对流部分，式( 2 1 5 ) 的离散格式为： 13、 ”= 杰碜“孑( n a t )l f ：壹蛩谬，( 础。)l ( 2 郴) 如图2 - 2 所示，其中： ( 岛) 特征线端点蟊所在单元5 堙一点a 在三角形单元( 巳) 内的面积坐标； z f 孑( 柏力一+ 与缸时刻，“在三角形单元( 巳) 的三个节点的值，( 口= 1 ，2 ，3 ) ； 谬( n a t ) 一( ”+ 与垃时刻，v 在三角形单元( 岛) 的三个节点的值，( a = l ，2 ，3 ) 。 由特征线方程可知： 鲁= 2 “ 垒d t _ 2 v j ( 2 1 7 ) ， 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 由( 2 1 6 ) ，( 2 - 1 7 ) ，利用线形插值近似可得面积坐标为： 华f f i c a 矾一a l z y j ) - , f d1 孝= l 乃一4 2 l x t ) - g d 。 ( 2 - 1 8 ) 鹫) _ 1 一肆