（水力学及河流动力学专业论文）非恒定流环境水体温排水二维数值模拟.pdf

非恒定流环境水体温排水二维数值模拟 摘要 随着我国对环境问题重视程度的不断提高，电厂温排水环境影响问题的快速、准确 预测已成为电厂规划选址阶段的重要内容。选择合适的模型与计算方法对于提高对水环 境影响问题的认知水平和保护环境具有重要的现实意义。为此，本文在大量的调研工作 的基础上，针对近几年发展起来的m i k e 2 1 模型在电厂温排水的环境影响预报领域的应 用问题进行了较为细致的分析研究。 本项研究首先对m i k e 2 1 模型进行了详细的了解和认识，掌握其模块的建立以及前 后处理工具的应用。为了研究其在电厂温排水排放环境影响预报领域的应用，以具有代 表性边界条件的冷却水运动平面二维基础物模试验成果为基础，对m i k e 2 1 模型计算成 果的精度和适应性进行了研究，其重点是温排水计算领域中重要的影响参数( 扩散系数、 表面终合散热系数等) 对计算成果精度的影响，在此基础上提出了更加适宜的模型边界 处理与参数取值方法、范围，并总结了m i k e 2 1 模型在温排水计算领域的优缺点。 在以上t 作的基础上：，将m i k e 2 1 模型应用到台山电厂和丹东电厂两个有代表性的 实际工程中，并且与相应的物模试验结果进行了对比分析。通过上述两个工程的应用， 可以看出在参数选取合理的情况下，m i k e 2 1 模型的计算结果能够充分地反映温排水的输 移扩散规律，能较好地满足电厂温排水环境影响评价的要求。 关键词：温排水，数值模型，扩散系数，散热系数 t w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c o o l i n g - w a t e r d i s c h a r g e di n t ou n s t e a d y f l o w a b s 仃a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f a t t e n f i o nt oe n v i r o n m e n tp r o b l e m ，t h ef a s ta n d a c c u r a t ef o r e c a s to f e n v i r o n m e n t a li m p a c to f p o w e rp l a n tc o o l i n gw a t e rb e c o m e sa ni m p o r t a n t c o n t e n t o f t h e p l a n n i n go f p o w e r p l a n t a n d t h ec h o o s i n g o f l o c a f i o n t h ec h o o s eo f s u i t a b l e m o d e la n dn u m e r i c a lm e t h o dh a v er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et oi m p r o v ea c k n o w l e d g eo nw a t e r e n v i r o n m e n t a le f f e c tp r o b l e ma n dt op r o t e c te n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , b a s e do nal o to f r e s e a r c h ，d om o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n ds t u d yo nt h ea p p l y i n go f m l k e 2 1m o d e ld e v e l o p e di n r e c e n ty e a r si nf o r e c a s te n v i r o n m e n t a le f f e c to f p o w e rp l a n tc o o l i n gw a t e r a tt h eb a s eo f d e t a i l e da c q u a i n t a n c eo f m i k e 2 1m o d e l ，g r a s pt h ea p p l i c a t i o no f m o d e l b u i l d i n g - u pa n dp r o - p o s tp r o c e e dt o o l i n g t os t u d yo n t h ea p p l y i n gi nf o r e c a s te n v i r o n m e n t a l e f f e c to f p o w e rp l a n tc o o l i n gw a t e r o nt h eb a s eo f r e s u l to f t h ec o o l i n gw a t e rm o v e m e n t t w o - d i m e n s i o n a lm o d e le x p e r i m e n to f r e p r e s e n t a t i v eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ef o r e c a s t i n go f ， e n v i r o n m e n t a li m p a c to f c o o l i n gw a t e rf r o mt h e i rp o w e rp l a n t r e s e a r c ht h ep r e c i s i o no f a d a p t a b i l i t yo f m i k e 2 1m o d e l i t si m p o r t a n ti st h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r ( d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ，h e a td i s s i p a f i o n ) o np r e c i s i o no f r e s u i t m o r es u i t a b l em e t h o d so f m o d e lb o u n d a r y c o n d i t i o na n ds e l e c t i o nm e t h o d s 、s c o p ei sp r o p o s e d ，a n ds u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g ei ne n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o no f c o o l i n gw a t e r o nt h eb a s i so f t h ea b o v ew o r k ，m i k e 2 1m o d e li sa p p l i e dt ot w or e p r e s e n t e dp r a c t i c a l p r o j e c ta sd a n d o n gp o w e rp l a n ta n d t a i s h a np o w e rp l a n t ，c o m p a r e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n g r e s u l to f p h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t t h r o u g ha p p l y i n gi nt w op r o j e c t ，i ti ss e e nt h a ti f t h e s e l e c t i o no f p a r a m e t e r si ss u i t a b l e ，t h er e s u l to f m i k e 2 1m o d e lc a nr e f l e c tt h ec o o l i n gw a t e r t r a n s p o r ta n dd i f f u s i o nl a w ，c a nb e t t e rm e e tt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c 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 n ，d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，h e a td i s s i p a t i o n 独创性声明 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国水利 水电科学研究院或其它教育机构的学位或证书等而使用过的材料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 电帅嗽删 名 一l 1 戳 年 者7 作 刃 文 五 一叼 中国水利水电科学研究院学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 火核电厂作为电能的主要来源，在国民经济建设中占有举足轻重的地位。随着我 国经济的快速发展，电力的需求日益增强，在东部沿海经济发达城市表现尤为明显。目 前，火核电厂建设呈现规模大( 单机容量、总装机容量不断加大) 、发展快( 建设周期 短) 、相对集中( 电厂位置主要集中在负荷中心周边区域比如东部沿海城市等) 等特点。 截至2 0 0 5 年底，我国发电装机容量达5 0 8 4 1 万千瓦，火电占据7 5 6 。然而，在我国火 核电厂的热效率基本在4 0 左右，这就意味着有近6 0 的热能需通过循环冷却水系统 释散到环境中，其中有一半以上电厂以直流排放方式将废热排放到湖泊、水库、海洋等 环境水域。如此大量的废热排放到环境水体中会带来以下几个方面的问题“”。1 ： 1 ) 电厂自身取水温度的升高。电厂取水温度直接关系到电厂的机组效率，在炎热 的季节，冷却水温度每增加1 ，汽机出力大致要降低3 0 ，水温超过一定限度，汽耗 超过最大通过量时，还将强迫降低负荷，成为机组安全运行、满发的巨大障碍。不少电 厂夏季供电量减少，原因之一就是冷却水温度过高。因此，选择适宜的取排水构筑物型 式、工程布置方案成为电厂规划设计阶段必须研究解决的首要问题之一。 2 ) 引起受纳水域的环境问题。这些大量的带有废热( 温度一般不超过4 0 * ( 2 ) 的冷 却水排入环境水域后必然引起环境水体温度升高，进而带来一系列环境问题，主要特点 有：第一、废热排放量大。如1 0 0 0 m w 的火电机组冷却水流量在4 0 r a 3 s 左右，排热量约 为4 0 0 ，0 0 0 k c a l s ，而同样规模的核电站冷却水流量、废热排放量更大；第二、废热影 响呈延续状态。电力作为最主要的一种能源形式，根据系统要求需连续供应，不允许随 便停止，否则可能会造成人民生命财产的重大损失。电力的重要性决定了电厂的运行一 般呈现持续运行状态，相应电厂冷却水也必然连续排放；第三、废热排放与日益重视的 环保问题存在矛盾。在我国，电力主要由火电、水电、核电组成。水电站出力有较强的 季节性，一般情况下，枯水期河道来流减少，水电站出力将大幅度降低，同期火核电 厂出力需大幅度提高。以河流作为冷却水源的火核电厂，由于河道来流小，电厂冷却 水占来流比例大，电厂废热对环境河道的温升影响也相对加强。而河口海岸地区以海水 作为冷却水源的火核电厂，在一定程度上虽然避免环境流量的影响，温排水同样会对 海洋产生环境影响。温排水对水环境的影响主要表现在水温上，从而进一步影响溶解氧 等指标，当发生严重的热污染时，可能导致水生生物的大范围消失，如：台湾某核电厂 中国水利水电科学研究院学位论文 温排水曾采用水面上浮流扩散的方式，其主要原因就是为了尽量避免高温升水体对深海 珊瑚的影响。 另外，废热排放与。十一五”期间倡导的“建立节约型社会”也是矛盾的，火核 电厂在提供电能的同时也产生了大量的能量浪费，采用合理的废热心收利用方法也是非 常必要的。但现阶段在某些技术手段尚不成熟的情况下，如何兼顾电厂取水安全与环境 保护已成为电厂建设中需首要解决的问题。随着我国对环境问题重视程度的不断提高， 环境保护在工程建设中已处于“一票否决”的地位，作为电厂直流排放可能带来的废热 影响必须在项目规划之初即采取合适的手段( 一般采用数模计算方法) 给予研究，以便 为电厂规划决策提供依据。 温排水数值模拟研究是伴随着计算机科学的发展而迅速发展起来的一个重要研究 领域，一方面在电厂筹建前期预报是否满足电厂取水温升要求；另一方面为研究温排水 对临近水体产生的环境影响提供科学依据。温排水数值模型的建立一般采用水动力学方 程和温度输运方程联合求解，而应用最广泛的是沿水深平均的平面二维浅水环流模型， 温排水三维模型也有一定发展，多采用k e 紊流模型，但其模型本身以及边界条件处 理、控制参数的确定等仍有许多不成熟之处，目前对于较大水域的温排水输移三维计算 尚处于探索应用阶段。在电厂工程设计中，考虑环保与经济的和谐发展，结合当前工程 环境评价的要求，大水域温排水计算仍以二维数学模型为主。通过比较现有成熟的二维 模型，m i k e 2 1 模型具有数据前后处理方便、计算速度快等的特点，是国际工程界普遍承 认的商业软件，近几年也被逐渐引入我国电厂水环境影响预报的领域，但由于对该模型 缺乏更加深刻的理解与认知，也缺乏一定的经验，故此，在电厂温排放具体计算方面仍 然存在许多问题，如：对于表面综合散热系数、扩散系数等模型参数的选取以及取排水 温度边界条件的正确处理等问题，这些问题的解决与研究成果的准确性、可信性密切相 关，为此，有必要采用适当的方法、手段对其进行对比研究，提高对相应问题的认识并 提出解决方法，以便将该模型更好应用到电厂水环境影响预报工程领域。 2 中国水利水电科学研究院学位论文 1 2 目前国内外电厂温排水问题研究现状 我国是研究冷却水问题较早的国家之一，开始于上世纪5 0 年代。随着经济的快速 发展，对电能的需求不断增加，相应电厂的装机容量不断加大，处理好电厂的供水和防 热问题为厂址和电厂规划的关键因素，在保证电厂安全运行的基础上，更要兼备经济和 环境保护问题。结合前人的研究成果和当前冷却水问题研究的现状，总体来说，对于直 流供水冷却水问题的研究主要有三个方面”1 ： 1 ) 由冷却水带走的电厂废热回收和利用问题，如何提高电厂热效率； 2 ) 冷却水工程或冷却装置的规划问题，如何提高自然水体的冷却效率； 3 ) 由冷却水引起的各种污染的预报和控制问题，如何模拟预报不同条件下冷却水 排放对取水温度和环境水体的影响。 随着经济的发展，环境和生态问题越来越得到重视，温排水对受纳水域生物种群的 影响也有一定的研究。但当前研究工作主要集中在为了电厂的取水安全选取合适的取排 水口位置与型式以及温排放对受纳水域温升的环境影响。 1 2 1 主要的研究方法 我国从事电厂冷却水方面研究工作的单位有很多，除中国水科院外，尚有河海大学、 中国海洋大学、南京水科院等高校和科研单位。相应研究工作方法总结起来主要有以下 三种： 1 ) 原型观测：是对已建工程进行现场观测，收集第一手的资料，了解温排水的排 放规律和影响范围，为电厂扩建工程提供参考信息，为其他同类工程的设计积累经验。 这种方法能够真实地反映在自然环境条件下温排水的输移扩散特性，能够为科学研究提 供宝贵的原始资料，但工作量大、费用高、测量结果的精度也会受到测量仪器的限制和 当时当地特定的自然环境的影响( 选择具有代表性的自然环境在原型观测中相当重要) 。 同时，原型观测无法获得工程规划设计阶段所需要的预测信息，因此多用于检验理论分 析结果、物模试验和不同的数值模拟方法的可靠性和精度，以及为总结某些基本规律提 供依据。 2 ) 物理模型试验：在进行一项工程的可行性研究时，由于理论分析结果的局限性， 需要对取排水口位置、型式进行确定，经常通过物理模型试验进行方案对比分析及优化。 物理模型试验( 又称实体模型试验) 是根据相似原理，按一定的模型比尺( 分变态模型 和正态模型) 把实际的工程换算成物理模型，在模型上进行不同方案的模拟，为工程设 计提供依据。 中国水利水电科学研究院学位论文 我国自五十年代开始了电厂冷却水方面的研究工作，以中国水科院陈惠泉教授为首 的一批科研人员，于1 9 5 8 年首次直接用温差水体为介质开展了冷却水物理模型试验研 究工作并取得了成功，提出了考虑温差效应及水气交面散热效应模型相似条件。其后， 结合工程需要，开展了大量模型试验和基础性研究工作，如：温排水出流近区掺混问题 研究、水面蒸发散热系数研究、模型变态率影响问题研究等。这些成果为后来的研究工 作奠定了基础，同时，通过大量的研究工作实践，对模型相似准则的取舍、模型比尺选 用方面积累了丰富的经验。 冷却水物理模型试验在传统的水工模型上增加了温度变量，除考虑水力相似外，还 考虑了热力相似。与原型观测相比，降低了费用并且能够直接反映复杂的物理现象，缺 点是由于场地、试验费用等条件的限制，模型模拟范围一般仅限于取排水口近区水域。 同时，物理模型试验的理论基础是模型相似律，对于任何一种现象，模型试验现在还无 法同时满足所有的相似准则，必然存在相似准则的取舍问题，这导致了试验结果与实际 情况具有一定的差距，如：物模试验平面扩散较强，立面扩散偏弱，强化了温差异重流 作用等等。为此，也不断有后人对模型相似性等问题作出进一步的研究，如：中国水科 院赵振国教授从运动方程出发对模型试验相似律作了新的推导，考虑了水流的运动结 构，包括了温排水的近远区和分层与不分层等差别，提出了模型中弗劳德数和密度弗劳 德数必须同时与原型相等的原则”1 。所有这些研究工作对增强温排水排放水力、热力特 性机理的认识、提高试验成果的精度均起到正面的促进作用。总之，物理模型试验手段 在模拟研究排水近区的温差水力学特性、对比优化取排水口的工程布置方面仍有很大的 优势。 3 ) 数学模型：随着计算机的发展，数学模拟和数值实验在科学研究和工程设计中 的地位和作用不断提高。关于温排水的数值计算模型有很多”1 ，一般采用水动力方程和 温度输运方程联合求解，而应用最广泛的模型是沿水深平均的平面二维浅水环流模型。 温排水的三维数值模型多采用k - e 紊流模型，根据实际的不同情况对方程进行适当的修 正或化简来描述水流和温度输运。按照坐标变换与计算网格，有笛卡尔坐标下的结构网 格和贴体坐标下的非结构化网格，也有两者结合的混合模式。按照方程的离散方法有： 有限差分离散、有限元离散、有限体积离散等等。数学模型有其自身的许多优点，如： 研究工作支出较少；不受试验场地的影响，可以做任意范围的计算；速度快，周期短， 可以较快得到研究结果：可以考虑多种因素相互作用的影响；可以完全自由地选择流动 参数；可以进行全尺度。试验”，不存在比尺效应等等。同样数学模型存在其局限性， 在不考虑数值计算格式与方法影响的前提下，其模拟的结果着重取决于对物理现象本质 的把握及其准确的数学描述，而目前情况下对温排水在环境水体中的输移、扩散等问题 4 中国水利水电科学研究院学位论文 的认识尚存在许多不足之处，对这种现象的数值模拟也有待深化。 国内外关于环境水体温排放影响问题的数值研究很多，按照数学模型所能描述的因 变量空间分布的维度分为一、二，三维，一维模型基本上是对数学方程进行较大的概化 处理，英国学者h a r l e m a n 在1 9 6 8 年较早的进行了稳定流态和非稳定流态下的电厂冷却 水的热扩散规律的研究0 1 。m o t z 和b e n e d i c t 在1 9 7 0 年，对恒定均匀的来流，建立了热 射流的积分模型( m - b 模型) ，接着s t o l z e n b a c h 和h a r l e m a n 建立了恒定非均匀环境流 情况下的热射流积分模型( s - h 模型) 。d u n n w e p o l i c a s t i o a j 和p a d d o c k r a ( 1 9 7 5 ) 在潮汐河道中，利用非恒定的一维数学模型与准三维的射流模型进行叠加， w a t a n a b a ( 1 9 7 5 ) 在冷却池中发展了一种分层流的远、近区结合方法，近区用 s t o l z e n b a c h h a r l e m a n 的表面射流，远区分两层，用有限元法计算。j o h nt k a u f m a n 和e e r i ca d m a s l 9 8 1 年做了一种近区、远区结合的方法，在整个区域内挖掉一个半圆， 在近区内用射流积分模型给出半圆上的远区边界条件，远区用有限元法计算。在近区常 按射流或浮射流建立积分模型，远区则以一维或者二维浅水环流对流扩散方程求解，由 于近远区的范围很难准确划定，两者的衔接也存在一定的问题。有时根据工程实际情况， 一维模型也能够满足要求，郝红升、李克峰等人对河道一维非恒定流水温进行数值预测 “”。随着计算机性能的不断提高，关于二维模型的研究越来越多，现在基本上都发展的 比较成熟，m c g u i r k 和r o d i 最早采用水深平均形式的k _ e 紊流模型计算冷却水岸边排放 近区的温度分布“。江洧采用建立在三角形网格上的破开算子有限元方法离散方程，进 行了惠州l n g 电厂平面二维温排水计算，这种方法能适用复杂地形，且具有收敛速度快， 计算精度高等优点“。郝瑞霞、齐维等人采用分步杂交法( 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) 进行了潮汐水域流速场和温度场的二维数 值模拟“”。陈凯麒、李平衡等人以改进型分步杂交法为计算手段，通过二维守恒浅水环 流方程及能量方程计算了湖泊、水库的流速场、温度场，并进行了富营养化的计算“。 张继民、吴时强等人分析电厂温排水流动特性，并对平面二维温排水数学模型中的参数 进行了分析，给出了横向扩散系数、纵向扩散系数以及表面综合散热系数的常用估算方 法、估值区间以及实测计算方法“”。马进荣、张晓艳等人通过在水流方程计算时采用实 际水深进行垂向积分概化，温升方程的计算采用掺混层厚度垂向积分概化，考虑了平面 二维温排水数学模型的热水上浮效应“”。杨芳丽、谢作涛等人采用有限体积法及s i m p l e 算法离散求解方程，建立基于非正交曲线坐标下非交错网格的平面二维温排水数学模 型，模拟结果较好“。总结二维模型主要分两种：浅水模型和水深平均的r 一占模型。 浅水模型无法处理近区中水流的卷吸、流速分布等现象，但是其质量守恒比较容易实现， 中国水利水电科学研究院学位论文 电厂排热量也比较容易给出，困难之处是排取水口处的水流速度条件。在理论上精细的 模拟排取水口形式是可以实现的，但是对于大范围的数模计算，网格划分的过小是很难 实现的，该模型更加适应于远区温排水对流扩散现象的模拟。水深平均的紊流模型，与 浅水模型相比增加了关于水深平均的紊流动能r 与紊动能耗散率的方程。二维的数值 模拟对温排水大范围的环境影响具有较好的结果，但对于排水口近区不能详尽地模拟。 完全的三维模型一直是温排水数值模拟的研究方向。胡振红、沈永明等以n s 方程和 _ | r 一湍流模型为基础，针对水温和盐度分层流的流动特性，考虑了浮力对紊动的影响， 建立了温度和盐度分层流的r 一模型“。郝瑞霞、韩新生对浮力修正的j r 一紊流模型， 采用三维离散型边界拟合坐标变换下的控制体积法，进行了泉州湾水域某核电冷却水工 程的潮汐水流和热传输的三维数值模拟研究“”。郝瑞霞、陈惠泉等人用有限体积法对浮 力修正的r 一占模型进行离散，对离散方程组采用s i m p l e 算法对天然河道上冷却水工程 进行数值模拟1 。方神光，王颖等人对g - 一紊流模型，采用非均化网格和混合离散格 式，通过选取适当的紊流参数和壁面参数模拟了横流中单矩形孔热水浮射流的r 一模 型。”。但由于对其运动认识的局限性和计算机的能力，完全意义上的三维模型还很少见， 现在基本上都是进行一定程度的简化，仍有待进一步发展。另外，关于温排水其他方面 的计算也有很多的研究，蔡惠文、孙英兰等人对在温排水数值计算中扩散方程中热污染 源项简化条件进行论述，并提出的源项计算公式。曾玉红、槐文信针对不同的射流参 数和环境流体参数下的有限水深平面垂直射流，采用混合有限分析法对近区以稳定浮力 表层形式排放和由于近区漩涡产生二次吸附的非稳定排放两种流动形态的混合流体的 流速场和温度场进行了数值模拟。1 。杨中华、槐文信在对流动环境中平面热水负浮力射 流进行数值模拟的基础上就近区特性进行分析，得到了不同排放角度和射流比下涡心和 分离点位置等特征量的值，分析了水面上流速、温度、湍动能及其耗散率变化规律，对 涡心断面上的动量方程和湍动能平衡进行了研究”“。m j b a p t i s ta n dw s j u i j t t e w a a l 等人在详细分析温排水的输移和掺混上，应用d e l f t 3 d 模型和t h r e e t o x 模 型预报温排水的排放规律。1 。l a r se k e b j e a r g 和p e t e rj u s t e s e n 把0 u i c k e s t 格式从 一维应用到二维用来计算对流扩散方程。1 。另外，关于温排水对环境溶解氧、生态影响 的数值模拟研究也很多，黄锦辉、李群等人利用质量守恒方程，根据鸭河口水库的环境 特征，选取合适的参数，对温排水入库对溶解氧影响进行预测”1 。金腊华、黄报远等人 分析湛江电厂温排水引起的温升对浮游生物和鱼类的影响。总之，关于温排水研究的 方法和涉及的领域越来越多，但现今在电厂规划阶段温排水对受纳水域大范围温升影响 的数值模拟，有其不可缺少的重要地位。 温排水运动是相当复杂的水力、热力现象。从理论角度看，一个完整的数学模型必 6 中国水利水电科学研究院学位论文 须同时计及近、远区紊动要素的影响，并能正确地反映出水平、垂向出流掺混，热水再 循环效应，水面散热影响，水体浮力作用等等。但是由于对环境水体水力、热力特性的 认识与模拟、求解方法等方面的困难，以及边界处理、参数的选取等方面的原因，三维 数值模型的应用还不够成熟。因此，具体应用时依据具体问题采用简化的数学模型进行， 般对于大范围海域的温排水排放影响问题采用水深平均的二维模型能够满足规划阶 段环评工作的需要。据此，目前对于电厂前期温排水环境影响预测仍以较为成熟的二维 数模为主。 1 2 2 环境水体二维数值模型分类简介 从现有资料看，环境水体二维数学模型基本分两大类，即为全场模型与分区模型。 ( 1 ) 全场模型：整个计算域采用统一的模型进行模拟，其中又可分为：c f 模型( 湍 流模型) 、势流模型及浅水环流模型。 r 一模型，这类模型是在连续方程和雷诺方程之外，再增加确定紊动特征长度和 紊动能量两个方程，使方程封闭，利于求解。由于这种模型应用比较多，所以也有很多 不同的形式，如：r n g x 一占方程，r e a l i z a b e r 一方程，低雷诺数r 一方程，双尺度的紊 流模型。势流模型是在假设流体没有粘性的情况下建立的，适应于粘性作用小的流体， 对于实际的工程中粘性项一般都要考虑，所以应用范围很小。浅水环流模型主要是对控 制方程进行水深积分平均，适应于水深相对于水面区域尺度是小量的水平方向水流运 动。主要应用在两个方面：沿海、海湾和河口方面用于计算环流、潮汐和风暴潮等；湖 泊、水库和河道方面用于计算热扩散、物质污染、洪水演进、泥沙输运等，至今应用比 较成熟。 ( 2 ) 分区模型：是根据排水口近、远区不同的水力、热力特性而采用不同的模型进 行分区模拟。分区模型的关键之处在于模型近、远区的选择以及模型边界的耦合问题。 然而分区模型的近、远区边界的划分以及耦合边界的处理是个难以较好解决的问题，因 此在环境水体水力、热力特性计算中一般采用较成熟的全场二维数学模型。 随着计算机技术的迅速发展以及水环境影响预报工作重视程度的不断提高，在国内 外许多研究单位纷纷开发自己特有的模型同时，采用市场化运作、具有较强通用性的商 业软件也得到了迅速的发展。一般非商业模型能够根据具体工程情况，提供计算条件， 再进行模型调试，直至计算结果满足要求为止。这种模型可以不断地改进，发展新的数 值离散格式和计算方法，但是数据的前后处理需要花费很多时间，不利于快速的查看、 提取以及分析研究计算结果。相反，商业模型开发商一般都有很强的专业队伍，对软件 进行不断的升级换代，代表着先进的算法，主要优点是模型的计算稳定性和通用性比较 中国水利水电科学研究院学位论文 好，配套的前后处理软件，使得网格的生成以及计算结果直观形象生动，更方便快捷地 进行多方案的比较以及预测。 1 2 3 简述国内外软件的对比( f l u e n t , d e f f t 3 d ，m i k e 2 1 ) f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件，用来模拟从不可压缩到高度可压 缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，f l u e n t 能达 到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术，使 f l u e n t 在多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛 应用。该软件具有以下特点： 1 ) 采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元 的梯度算法； 2 ) 定常月 定常流动模拟； 3 ) 软件中的动变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和 运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成； 4 ) 具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动变形网格以 及滑动网格等； 5 ) 包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件 中算法相对较多的； 6 ) 适用于牛顿流体、非牛顿流体； 7 ) 提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口( u d f ) ；采用c c + 十语 言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。 d e l f i 3 d 是一个完全的二维和三维水动力一水质模型系统，包含水流、水动力、波 浪、泥沙、水质、生态等6 个模块，各模块之间完全在线动态耦合( o n l i n ed y n a m i c c o u p l i n g ) ；整个系统按照目前最新的“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”的标准设计，完全实 现开放( o m s ：o p e nm o d e l l i n gs y s t e m ) ，满足用户二次开发和系统集成的需求。采用 d e l f t 计算格式，快速而稳定，完全保证质量、动量和能量守恒；此外，在保证守恒的 前提下，水质和生态模块采用了网格结合的方式，大幅度降低了运算成本。系统实现了 与g i s 的无缝链接，有强大的前后处理功能，并与m a t l a b 环境结合，支持各种格式的 图形、图像和动画仿真；基于v i s u a lb a s i c 的用户界面非常友好。系统的操作手册、在 线帮助和理论说明全面、详细、易用，既适合一般的工程用户，也适合专业研究人员。 d e l f l 3 d 支持所有主要的操作系统，如w i n d o w s ，u n i x , l i n u x ，m a c 等。d e l f l 3 d 系统在国 际上应用得十分广泛，如荷兰、俄罗斯、波兰、西班牙、英国、新西兰、新加坡、马来 中国水利水电科学研究院学位论文 西亚等，尤其是美国已经有很长的应用历史。中国香港地区从7 0 年代中期就开始使用 d e l f t 3 d 系统，已经成为香港环境署的标准产品。我国三峡工程，黄河改造，香港维多 利亚港等就大量的运用了d e l f t 所营造的环境模型。 m i k e 系列软件是由丹麦水利研究所。研制的，内含九种模块：m i k e l l 模拟一维河网 水流动力，洪水，水质，泥沙输移，河道地形，溃坝等，能实时校正洪水预报并演示洪 水淹没过程；m i k eb a s i n 大范围流域水资源评估和管理是一套以g i s 系统为基础，综合 水资源管理和规划的决策工具；m i k es h e 地表水和地下水联合是一套包括整个陆相水文 循环的水文模拟系统；m i k em o u s e 模拟城市排水，污水系统的水文，水力学和水质等 的集成工程软件；m i k en e t 城市供水系统水质和水力学模拟工具，与g i s 系统等有灵 活的接口，有实时控制模块( 与s c a d a 系统结合) ；m i k es w m m 模拟城市水文及雨水和 废水水力学的软件包；m i k e 2 1 二维自由水面流动模型，可模拟湖泊、河口、海湾和海岸 地区的水力及其相关现象；l i t p a c k 模拟海岸输沙和地形演变；m i k e3 是用于三维自由 表面流的专业工程软件包，用于河流、湖泊、河口、海湾、海岸地区、海域及其它水体 的水力学、水质和泥沙传输等模拟。 以上介绍的商业软件都各有自己的优缺点，适合于不同的领域和方向，m i k e 2 1 模型 适应于河口、海湾以及海洋近岸区域的水流包含水动力( 皿) 、传输扩散( a d ) 、水质 ( w q ) 、富营养化( e u ) 、重金属( m e ) 等模块，其中a d 模块适应于温排水的计算。 总的来说，商业软件都有以下发展趋势：1 ) 包含的模块越来越多，通用性比较强； 2 ) 紧跟计算机的发展，采用新型的数值计算方法，减少计算时间，节约计算机内存；3 ) 方便简捷多功能的前后处理，节省数据的整理分析时间，计算结果的可视化，便于分析 对比。 1 3 本文的研究思想与基本内容 随着我国对环境问题重视程度的不断提高，电厂温排水环境影响问题的方便、快速、 准确预测已成为电厂规划选址阶段的重要内容。选择合适的模型与计算方法对于提高对 水环境影响问题的认知水平，保护环境具有重要的现实意义。 现有计算模型与计算软件中，我院引进的m i k e 2 1 是专业的二维自由水面流动模拟 系统工程软件包，也是世界各国大型水资源和水环境工程项目招投标所公认的标准化计 丹麦水利研究所是丹麦的一所非营利性的私营研究和技术咨询机构主要从事海岸，河口，港口工程，城市水力 学，水资源及环境工程的设计，软件研究及水工模型试验等工作。 9 中国水利水电科学研究院学位论文 算软件之一。该软件适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二 维仿真模拟。采用标准的二维模拟技术为设计工程师提供独特灵活的仿真模拟环境，其 独特的模块化结构、菜单驱动的用户界面，对数据前处理、计算结果分析与展示及图表 后处理提供强大的支持，其计算速度快，稳定性好，几乎可以模拟所有简单到复杂的水 环境变化过程。该软件已有2 0 多年持续发展的经历，在世界范围内的大量工程中得以 成功应用。 m i k e 2 1 已广泛地应用于水力学现象的研究，如：潮汐、水流、波浪以及泥沙输运、 水质影响预报等问题的模拟。在电厂温排水对环境水域影响的预报方面也有应用，如： 浙江河口水利研究院完成的。华能玉环电厂循环冷却水温排放数模计算”等1 。总结前 人在电厂温排水模拟计算领域m i k e 2 1 软件的应用情况可知：该软件仍存在一些不足之 处，主要表现在： 1 ) 取排水耦合上，温排水不同于其他污染物，当取水温度增加时会直接导致排水 温度的增加，因此在数值模拟时需要把两者之间的差值作为定值来考虑，而以往的 m i k e 2 1 的很多工程应用没有把两者联系起来； 2 ) 扩散系数、表面综合散热系数等计算参数的选取，对于扩散系数有两种给定方 式，一种是按照经验公式来确定，取值有较大的随意性；另一种是给定与流速的比例系 数，和通常给定方法不同。另外，表面综合散热系数的计算方法也与我国电力规范( 工 业循环水冷却设计规范g b 厂r 5 0 1 0 2 2 0 0 3 ，下同) 中j 0 不同。 平面二维温排水数值模型在横向扩散系数、纵向扩散系数以及表面综合散热系数等 参数选择上有很多种方法m 怕1 。扩散系数的确定主要有两种方法：经验公式法和示 踪试验法。水流中紊动扩散研究是从t a y l o r 开始的，他提出紊动扩散系数的一般表达 式为b = “( 扛z ，y ，z ) ，横向和纵向紊动扩散系数的不同在于的不同。对于横向紊 动扩散系数，e l d e r 通过平直光滑矩形水槽试验得到瓯= 0 2 3 ，费希尔对矩形断面顺直 明渠的研究表明，口。除了在灌溉渠道上为0 2 4 0 2 5 外，几乎所有情况其值都在0 1 o 2 之间，故一般取为o 1 5 。对于不规则明渠和天然河道来说，哈利、阿布拉汗通过室 内模型试验，得到必，值在0 3 o 7 之间。对于明渠曲率的影响，尤佐古拉在密苏里河 的实验观察，得到瓯值在0 4 o 8 之间。对于河渠急剧弯曲或几何形状迅速变化，吼值 可取较高的值。对于纵向紊动扩散系数的研究表明其值约为横向紊动扩散系数的3 倍。 l o 中国水利水电科学研究院学位论文 但是由于一般纵向的离散比扩散要强得多，因此常忽略纵向紊动扩散系数，或者说用包 含了纵向紊动扩散系数在内的弥散系数来综合表示，但是扩散和弥散是两个不同的概 念。扩散分为两种分子扩散( 因分子运动引起的扩散) 和紊动扩散( 流体微团紊动引起 的扩散) ，而弥散因空间平均化引起的。示踪试验法分为野外示踪试验和室内示踪试验， 示踪试验完成后可用水力学计算法、直线图解法、矩法、线性回归法、遗传算法等计算 横向扩散系数。梁秀娟等人通过室内模拟试验确定吉林市第二松花江某江段的横向扩散 系数，得出同类( 有机污染物如：c o d 、b o d 等等) 不同质污染物的横向扩散系数差别不 大。横向扩散系数与取样距离无关，与试验时间有密切关系，随着时间的延长趋于定值， 试验后期的计算结果比较接近实际。在实际工程计算中，横向扩散计算和纵向扩散系数 的选取与水流特性有关，如同涡粘性系数一样，在强对流水域，横向扩散系数和纵向扩 散系数可以取为常数，而在水库、湖泊等水域，扩散系数的选择对于计算结果影响过大， 一般可以采用上述经验公式确定，相应的系数视具体情况或通过模型率定和验证确定。 表面综合散热系数的确定 水面散热包括对流散热、蒸发散热和辐射散热三部分。目前主要有以下经验公式确 k = 2 2 x 1 0 。( t , + 2 7 3 1 5 ) 3 + ( o 0 0 1 5 + 0 0 0 1 2 u ) g 定：g u n n e r b e r g 公式： ( 2 5 0 1 7 - 2 3 6 6 1 1 1 1 1 1 1 ；l o 杀器+ 1 6 2 l 】 叽石盖翥矛1 0 1 一”7 + 1 6 2 1 1 式中u 为水面以上2 m 处的风速；t 自为水面温度。 工业循环水冷却设计规范1 中推荐的计算公式： k m = ( b + k ) c ￥+ 4 盯( t + 2 7 3 ) + ( 1 叻( b t + e ) o t = ( 2 2 0 + 1 2 5 v 2 + 2 o a r ) 1 ” a t 5 z l a e = e - 一e - k = 叠 其中，口为水面蒸发系数，矿m _ 2 h p - 1 ；e 为水面综合散热系数，w m - 2 。f 15 b = 0 6 6 二一h p a 一；p 为水面以上1 5 m 处大气压， 只；v 为水面以上1 5 m 处的风 1 0 0 0 。 中国水利水电科学研究院学位论文 速，m j 一；为水面辐射系数，可取0 9 7 ；盯为s t e f a n b o l t z m a n 常数，取为 5 6 7 x 1 0 - 8 w m - 2o c - 4 ；l 为水面以上1 5 m 处的气温，；巳为水温的相应水面饱和水 汽压，h p a ；巳为水面以上1 5 m 处的水汽压，h p a 。 m i k e 2 1 模型在温排水计算方面参数的选取与确定有待进一步的对比研究，希望积累 一定的经验。 为此，本论文研究内容为： 1 ) 熟悉g i k e 2 1 模型的建立、前后处理软件的应用以及在温排水计算方面几个关键 影响参数的给定，如：源汇项的设定，扩散系数的不同给定方式，散热系数的影响因子； 2 ) 以专门的水力、热力基础试验数据为基础，建立数学模型。在对流场进行模型 验证合理的情况下，对源汇项不同设置进行结果比对；扩散系数两种不同给定方式进行 对比并分析其敏感性；散热系数的敏感性分析等等，能够确定其在温排水影响计算方面 的参数、边界条件的选取原则、方法。再将其应用到两个具有代表性的实际工程( 滨海 地区台山电厂和河口地区具有较大潮间带丹东电厂) ，并与相应的物理模型试验结果进 行对比分析； 3 ) 在以上工作的基础上，能够对源汇项的设置，对扩散系数和散热系数取值范围 能够探寻一定的规律，提高计算结果的精度。 1 2 旦查型查皇型堂堑窒堕堂垡堡奎 - _ _ ，一 一 第二章m i k e 2 1 模型介绍 2 1 基本原理 连续方程：警+ 面a p + 舅= 警+ 丽q 程：糍5 嚣嚣制一以+ 去未( 咖啦+ 争 + 南弧i n ( 弘) 鲁+ 专( 譬 + 旦a x f e 盥h1 ：+ 曲孑+ 婴c 匠：h 2 + 脚 粥+ 瓦h 万( 咖啦+ 豺南 ) 扣，+ 扣c ，+ 专c 比，