水面综合散热系数确定方法及灵敏度分析.doc

水面综合散热系数确定方法及灵敏度分析2007年第5期水科学与工程技术?9?水面综合散热系数确定方法及灵敏度分析陈新永,朱静,韩龙喜(1.河北省环境科学研究院,石家庄050051;2.河海大学,南京210098)摘要:水面综合散热系数是温排水数值模拟中的一个重要参数,它的正确选择与计算直接关系到模拟结果的准确性.从水面综合散热系数的确定方法出发,分别取为常数和非常数,结合某电厂实例分析的取值对温升场模拟结果的影响,并对水面散热系数的灵敏度进行分析,这对环保部门进行沿江,沿海环境总体规划具有重要意义.关键词:水面综合散热系数;灵敏度;温排水;数值模拟中图分类号:X143文献标识码:A文章编号:16729900(2007)05000905DefiningmethodsoftheheattransfercoefficientanditsanalysisofsensitivenessCHENXin-yong,ZHUJing,HANIng-xiAbstract:Theheattransfercoefficient(shortedforks)isanimportantparameterinnumericalsimulationofheatdischarge.Theksisrelatedtotheaccuracyoftheresultifitisselectedandcalculatedexactly.Thisarticleintroducesthemethodsofdefiningks,andanalysestheeffectofksaboutsimulatingtheresultoftemperaturefieldwiththeexampleofthermoelectricpowerplant,andanalysesthesensitivenessofksItissignificantforenvironmentalprotectiondepartmentstomakingawholeplanningofenvironmentaboutriverandocean.Keywords:theheattransfercoefficient(shortedforks);sensitiveness;heatdischarge;numericalsimulation水面综合散热系数是计算水面冷却能力和水体对热污染的自净能力的基本参数,定义为水面温度()平均变化IC时水面总散热通量的改变量.其大小主要由水面环境的气象条件(如风速,风向,气压,气温,湿度,光照等)决定,也与实际的温差(温水与环境水体的温差,温水与空气的温差),流速,河道状况有关.在计算时水面散热系数()的大小主要受到水面温度的影响,而排放口排出的温水会使水体温度增加,因此在实际的温升场模拟过程中.水面综合散热系数在每个时问收稿日期2oo7一O53O作者简介陈新永(1980一),男(汉族),河北正定人,硕士,主要从事环境水力学及环境影响评价方向研究,(rre1农业灌溉或居民生活用水中,可大大节约淡水资源.3.5完善水市场.调节水价在我国,水权转让的成功实践虽然已经开始,但成熟,健全的水市场的建立仍在探索之中.进一步完善水市场,将有利于水的利用从低效益的领域流向高效益的领域,提高水的利用效率.而水价作为一种经济杠杆,有利于水资源在各使用者问的合理分配,不仅在不同行业,不同地区实行不同的水价,在不同的季节水价也应适时调整.适当提高水价.将有利于各用水单位和个人的节约1304结语河北省作为一个严重缺乏水资源又十分依赖地下水的地区,地下水的利用已经捉襟见肘.地下水的利用是否合理.不仅关系到自身的发展,而且由于地下水的不合理利用所引起的环境问题也将关系到首都北京的安全.因此.地下水问题的解决已经迫在眉睫,正确处理现存的问题,是十分必要的.参考文献:1河北省概况EB/OL./geo/zt1/data/210.htm,2()06一O6一O3.2孙玉艳.河北省水环境形势与保护对策J.河北环境科学,2oo2.10(4):1-4.3河北省水资源勘测局.河北省水资源公报R.石家庄,20002oo2.2005.4王殿茹,赵淑芹.水资源安全现状及2l世纪水资源安全评价J.生态经济,2006,(7):31-34.5方茜,任晓力.河北省地下水开发利用状况研究J.河北建筑科技学院,2005,22(1):45.6王欣宝.王艳,王昕洲河北平原过量开采地下水引起的环境地质问题及对策研究J.河北地质,2006,(2):1519.7王春泽,张石春,张建平.河北平原区近3O年地下水动态及可持续利用对策J.河北水利,2005,(2):13-16.8王桂玲.河北省水环境状况与对策J.河北水利水电技术,2002,(S1):76-78.9张素珍,张秀兰.河北省地下水灾害的类型分布及防治对策J.南水北调与水利科技,2oo6.4(4):4143.1O高太忠,罗人明,黄群贤,等.河北平原地下水开发中的问题及可持续利用J.地质灾害与环境保护,2002,13(3):6-9.11张艳红,苏晓虹,王玉娜.河北省雨水集蓄利用工程发展现状及对策J.河北水利,2004,(1):2829.12张展羽,蔡守华.水利工程经济学M.北京:中国水利水电出版社.2005.?10?陈新永,朱静,韩龙喜:水面综合散热系数确定方法及灵敏度分析2007年第5期步,每个网格点均不同,并非为一常数.6B0wen比系数(hPa/C)以镇江句容电厂为例,分别取水面散热系数为常数和非常数时,采用二维水流水温数学模型对受纳水体温升场进行模拟计算,采用局部灵敏度方法分析的灵敏度.这对准确模拟电厂温排水叠加计算具有重要参考价值.l确定方法概述1.1经验常数方法所谓经验常数是指人们在实际计算过程中根据经验或以往参考资料直接取水面综合散热系数为某一常数.通常,在某个具体的流域地区,根据一些以往的实验和工程研究经验及当地水文气象条件,水面综合散热系数有特定的取值;在缺乏现场实测资料的条件下,在确定经验值数据来源和可靠性的基础上,可以直接引用.1.2经验公式法水面综合散热的研究一直是国内外众多学者十分关注的问题,并在实验的基础取得了一些研究成果,在实际计算中多数人选用经验公式来计算,其中常用的经验公式有:Ks=23.0+14Wz+22.4(A0)(胁0.225)+7.5(A0)-3es-eo+0.225()(1)式中广水面以上2m处风速(m/min)水面与空气之间的虚温度()e广温度等于水面时的饱和水气压(mmHg)e离水面2m处空气的实际水气压(mmHg)一水面的温度()】_空气的温度()其中,(mmHg/F)o式(1)考虑了外加热量后水体超温时散热系数的影响,在温排水数学模型中,偏于安全考虑,不计风力.:4.6_0.09(T+C)+4.06Wexp0.33(c)(2)口L式中参考温度()风速(m/min)水的比热(K)C温差Ks=1.57+(B+0.26)(70.0+0.710)B=0.2550.085T+0.000204(-互1(3)式中.海面以上10m高处的平均风速(m/s)一海水表面温度()一露点温度()此公式适宜计算海面综合散热系数.K=a(+61+锄(273)(bAT+Ae),u1S”a=(22.0+12.5v2+2.OAT),AT-,ea,b=0.66(4)式中水面蒸发系数(W/(m?hPa)氏一水面水温广-_水面以上1.5m处气温e广水温时的相应水面饱和水气压(hPa)e水面以上1.5m处水气压(hPa)一水上1.5m处的大气压(hPa)水上1.5m处的风速(m/s)水面长波灰体辐射系数,可取0.97Stefan-Boltzman常数,取为5.671oW(m?)此公式为工业循环水冷却设计规范中的计算公式.Ks=2.2x10(+273.15)(O,00l5+0.00l12V2)式中厂水面以上2m处的风速艮一各网格计算温升加上环境水温此公式为常用的Gunnerberg计算公式.2计算方法采用二维水流水温数学模型来模拟水流运动情况及温排水输移扩散规律.在温升场求解过程中.水面综合散热系数凡分别按经验常数法取值和经验公式取值,其计算流程分别见图l,图2.数学物理参坐标地形资污染源资料数学物理参坐标地形资污染源资料图l取经验常数时计算流程图图2凡按经验公式取值时计算流程图2007年第5期陈新永,朱静,韩龙喜:水面综合散热系数确定方法及灵敏度分析.11.3实例计算及灵敏度分析3.1温排水数学模型3.1.1基本方程对于开阔水域,常采用深度平均的二维水流运动方程描述水流流场.采用二维温度方程模拟温升的空间分布变化情况.控制方程分别为:(1)水流运动方程l+盟:glaaavJ+旦+=Ox1/+Idddvd,专(vtHO.u,-gnu(6)+=Ox誓)+laaavd/I专rrOvoyu式中时间坐标,y纵向,横向坐标Z._一水位(m)u,Y方向的垂线平均流速(m/s)日垂线水深,H=Z-Zb(m)河底高程(m)叮源强(m?m,源汇的单位面积流量)一重力加速度卜柯氏系数n河床糙率一紊动粘性系数(2)热传输方程:OhT.OuhT.OvhTaaav=O-(E)t)+专(等)一筹x,y)(7)式中受纳水体温升时间坐标,r纵向,横向坐标H,Y方向的垂线平均流速(m/s)为垂线水深(m)E纵向弥散系数E横向弥散系数K广水面综合散热系数p_一水的密度(p=1000kg/m)水的定压比热(Cp=1Kcal/kgC)s_一源强3.1.2定解爱件(1)初始条件:u(,-q,0)=0;(,-q,o)o;T(sr,叼,0):To(st,叼)(2)边界条件:水流岸边界采用无滑移条件:u=0,v=0,采用阻塞函数法处理水陆动边界时,温度假定满足绝热条件即:宣-0.!(上:0dd叼水流上下边界条件,给出变化过程即Q=-QA(t)和z-=zB(t).其中,温度边界条件:人流边界:T(O,叼)=,To为环境水温;出流边界:盟=03.1.3数值解法采用边界拟合坐标技术对模拟区域进行坐标变换,用有限体积解法对变换后的控制方程进行离散.采用ADI法对离散方程组进行数值求解,计算得到各个控制节点的水位,垂线平均流速及温升值.3.2工程概况拟建的发电厂拟选厂址位于长江镇扬河段世业洲汊分流区的右岸.电厂本期建设两台900MW机组.电厂采用直流式供水方式,一期工程冬季冷却水量为50mS/s.温升值计算区域及网格布置根据本项目研究目的和模型计算的要求.在计算范围内,采用曲线网格布置以拟合天然岸线及不规则边界.见图3.计算区域共布置网格节点数为4万个.图3计算区域及网格布置图3.2.2计算条件及参数选取以冬季枯水期保证率为P=-90%的水文条件.人流断面对应大通流量,计算河段出El给定相应潮位条件进行计算.计算参数取:糙率系数n=O.02.紊动粘性系数假定各项同性取lOOm/s.热输运弥散系数取:=aflu,E,=arhu.式中u.摩阻流速,u.:,/万,.经验参数水面综合散热系数分别取常数和按Gunnerberg公式计算取值.3.3计算结果分析3.3.1流场计算通过计算得到研究区域(冬枯)水文条件下的流速分布矢量图,见图4.?12?陈新永,朱静,韩龙喜:水面综合散热系数的确定方法及灵敏度分析2007年第5期3.3.2温升场模拟结果在(冬枯)水文条件下,分别取常数和非常数时的温升包络线分别见图5和图6;两种情况下的温升影响范围特征值见表1.表1两种情况下温升影响范围特征值由图5和6可知,当凡分别取常数和非常数时,温升值包络线形状,大小基本一致,沿岸边呈带状分布.由表1可知.温升值纵向最大扩散距离的最大相对误差为59%,最大绝对误差为0112km:横向最大扩散距离的最大相对误差为7.1%,最大绝对误差为0.005km;包络面积最大相对误差为8%,最大绝对误差为0007km,说明两种情况下计算结果相差不大.总之.当凡分别取常数和非常数时,温升值包络线形状,大小基本一致,温升特征值相差不大,均能反应温升的空间分布变化情况.3.4灵敏度分析(1)灵敏度分析包括局部灵敏度分析和全局灵敏度分析【9(包括定量全局灵敏度分析,定性全局灵敏度分析),本文采用国内使用较多的局部灵敏度分析方法.局部灵敏度分析也称一次变化法,其特点是在其他参数不变的情况下,只针对某一个参数,评价模型结果在该参数每次发生变化时的变化(2)影响温升场参数灵敏度.温升数值模拟中参数主要有热输运的纵,横向弥散系数:E,=cl,hu.,E以与水面综合散热系数K.为了衡量数学模型中各参数在计算过程中的贡献大小.对模型的主要参数进行灵敏度分析.其中选取模拟区内排放口下游500m横断面处温升值的变幅作为灵敏度分析的依据,分析各个参数对模型相应的影响.采用公式(9)及计算得到各参数灵敏度系数见表2.表2各参数灵敏度分析结果由表2可知,纵向弥散系数E=cl,hu.的灵敏度系数为0.008,横向弥散系数Er=otflu.的灵敏度系数为0028,两种灵敏度系数比较小.为不灵敏的参数;水面综合散热系数凡的灵敏度系数平均值为02,说明凡的取簋变化对计算结果有一定的影响.但变化10%所引起计算结果的最大绝对误差为0341.最大相对误差为1098%,可见在正确选择与计算之后,其对计算结果的影响程度较小,说明为不太灵敏的参数.4结语(1)目前水面综合散热系数确定方法主要有经验常数法2007年第5期水科学与工程技术?l3?基于InfoWorksRS的数字流域模型研究薛泽辉,孙保沭,许拯民(华北水利水电学院,郑州450011)摘要:如何切实有效地减少洪水危害是全社会日益关注的问题.随着我国水信息技术,特别是遥感技术,地理信息系统和全球定位系统技术等的发展,以及数字流域的不断建设完善,河流模拟软件InfoWorksRS可以对整个流域进行洪水模拟预测.预先了解该流域的降水量及流量变化,管理部门可据此进行水情控制,洪水预警预报,防洪抗旱指挥,以及水资源的优化调度和分配等.关键词:流域管理;河流模拟;数字模型;动态演示中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:16729900(2007)050013-4MStudyondigitalcatchmentmodelbasedonInfoWorksRSXUEZeHui,SUNBaoshu,XUZhengmin(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)Abstract:Toreducesthefloodharmpracticallyandeffectivelyisthewholesocialdailymatterofconcern.Alongwithourcountrywaterinformationtechnology,speciallytheRemoteSensingTechnology,theGeographicInformationSystemandtheGlobalPositioningSystemtechnologyandSOondevelopment,aswellasthedigitalbasinunceasingconstructionconsummates,riverssimulationsoftwareInfoWorksRSmaycalTyonthefloodsimulationforecasttotheentirebasin,understoodsinadvancethisbasintheprecipitationandthecurrent,capacitychange,thecontrolsectiontobepossibleaccordingtotheabovetoCalTyonthestateofthewatercontrol,thefloodearlywarningforecast,thefloodpreventioncombatsdroughtthedirection,aswellaswaterresourcesoptimizeddispatchandassignmentandSOon.Keywords:basinmanagement;riverssimulation;numericalmodel;dynamicdemonstration流域数字防洪模型的建立是基于英国着名的Wallingford公司开发的河网及明渠等的水动力学模型计算软件InfoWorksRS,以流域地形地貌信息系统与水文水情监测,预报分析系统为基础.建立起流域洪水演进数字仿真系统,并根据雨情和泄洪调峰方案,对不同状况的来水进行水情分析,灾情预测.或是依据其结果制作防洪预案,进行工程量分析等.1流域数字化模型的发展趋势1.1水利信息化的要求水是基础性的自然资源和战略性的经济资源,水利是国民经济的重要基础设施,是实现社会经济可持续发展的收稿日期)20o707o6作者简介)薛泽辉(1981一),男(汉族),河南陕县人,硕士研究生,主要从事