郝青哲,段宗伯,付 倩

（華北電力大學(xué),河北 保定 071003）

目前,不少大型火電廠及全部待建、已建的核電廠都選址在瀕海、港灣、河口地區(qū),利用鄰近水域作為冷卻水的供應(yīng)和受納水域[1]。電廠將廢熱排入江河湖海中的過程實(shí)質(zhì)上是熱量在水體中摻混、對(duì)流、擴(kuò)散的過程。向河道注入較注入點(diǎn)水體溫度高的電廠冷卻水,就有可能影響注入點(diǎn)附近取水工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。如果近岸海域長(zhǎng)期受到波浪影響,則電廠溫排水要受到它的影響。波浪不斷涌向岸邊,使近岸海域的流場(chǎng)不斷發(fā)生變化,影響溫排水的熱量擴(kuò)散。

波浪對(duì)沿海電廠溫排水?dāng)U散影響很大,會(huì)影響到取水的溫度值,因此,建立合理的模型,模擬波浪作用下電廠溫排水的溫度分布具有現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的陳惠泉提出對(duì)待電廠冷卻水問題時(shí),考慮波浪效應(yīng)的水力熱力模擬[3];香港南丫電廠擴(kuò)建工程進(jìn)行了局部水域正態(tài)波浪模型試驗(yàn),驗(yàn)證了物理現(xiàn)象“水簾效應(yīng)”,即在低水位工況下,波浪由堤岸斜面下退時(shí),已露出水面的取水上部孔口,會(huì)被前波上堤水流下泄形成的水簾封住,杜絕空氣進(jìn)入[4];水利部的張繼民[5]利用荷蘭Delft水力研究院開發(fā)的Delft3D模型,對(duì)北侖電廠三期擴(kuò)建工程在潮汐和波浪條件下溫排水進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到最優(yōu)方案。

本文在二維模型條件下,模擬振幅一定時(shí)不同時(shí)刻波浪對(duì)排水周圍水域的影響,以及同一進(jìn)刻不同振幅波浪對(duì)排水溫度分布的作用,分析了各個(gè)工況下溫排水溫度分布特性,論證了波浪對(duì)溫排水的影響。

1 模型及邊界條件

建立二維模型,如圖1所示。其中,來流方向平行于岸邊,溫排水從岸邊流入海域,波浪和溫排水方向相反,波浪規(guī)則且呈周期性變化,來流為穩(wěn)定流。

計(jì)算區(qū)域如圖2所示,水槽寬度為0.5m,水槽長(zhǎng)度為1 m,排水口寬度為0.1m。采用矩形網(wǎng)格計(jì)算。

式中,A0為振幅;t為任一時(shí)刻;T為波浪運(yùn)動(dòng)周期;ω為頻率。

設(shè)海水來流和溫排水速度、溫度參數(shù)見表1。

波浪呈簡(jiǎn)諧規(guī)律變化的表達(dá)式為

表1 各流體參數(shù)表

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 振幅不變時(shí)溫度場(chǎng)模擬

選用k-ε紊流模型對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,采用一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散,壓力和速度的耦合采用simple算法,近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法,松弛因子和收斂條件保持默認(rèn)的給定值不變。

圖3是波浪在一個(gè)周期T內(nèi)變化時(shí)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果,波浪在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)溫排水的影響不能忽略。在受波浪影響的水域中,溫排水的擴(kuò)散區(qū)域不斷產(chǎn)生變化。由圖3（a）～（d）可見,一個(gè)周期內(nèi)4個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)區(qū)域并沒有大的改變,稍有波動(dòng),排水口右側(cè)高溫區(qū)域逐漸減小,到T時(shí)刻又開始增加;溫度場(chǎng)先由扁形逐漸集中到排水口,到T時(shí)刻后又向右側(cè)偏移;等溫線形狀類似波浪形狀變化。

2.2 振幅改變時(shí)溫度場(chǎng)模擬

為具體研究波浪變化對(duì)熱擴(kuò)散的影響,改變波浪的振幅進(jìn)行計(jì)算。波浪呈正弦規(guī)律變化,設(shè)周期T=4 s,波浪的振幅A分別取0.15 m、0.25 m、0.35m、0.45m。不同振幅下流體參數(shù)見表2。

表2 不同振幅下流體參數(shù)

圖4為波浪在1/4T時(shí)刻時(shí),振幅變化對(duì)溫排水熱擴(kuò)散的影響。由圖4（a）～（d）可見,在波浪的影響下,高溫等溫線由突出逐漸變得扁平。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除溫排水與來流的摻混外,還有波浪的傳遞作用,使得流體運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)加大。此外,波浪的擾動(dòng)使等溫線呈現(xiàn)類似波浪的形狀,振幅越大,等溫線的變化趨勢(shì)越明顯。

3 結(jié)束語

波浪以正弦規(guī)律呈周期性變化,隨著波浪的變化,溫度場(chǎng)的等溫線形狀類似波浪的形狀變化。在一個(gè)周期內(nèi),波浪的影響明顯,排水口右側(cè)排水影響有減小趨勢(shì);波浪的振幅越大,等溫線的壓縮趨勢(shì)越顯著,形狀越來越扁平,垂直河道方向影響越小。因此,波浪對(duì)溫排水的影響是周期性變化的,找到影響規(guī)律,利用其有益方面,最終使溫排水熱量較快散失在環(huán)境中,減小以周圍水域生態(tài)環(huán)境及取水溫升的影響。

[1] 陳惠泉.沿海水域火/核電廠冷卻水水工布置的優(yōu)化原則和實(shí)踐[J].海洋技術(shù),1999,18（4）：82-87.

[2] 楊海燕.具有潮流影響的電廠溫排放實(shí)驗(yàn)研究[J].貴州水力發(fā)電,2005,19（1）：75-78.

[3] 陳惠泉,許玉麟,賀益英.火/核電廠冷卻水試驗(yàn)研究50年的進(jìn)展和體驗(yàn)[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2008,6（4）：288-298.

[4] 陳惠泉,賀益英.香港南丫電廠擴(kuò)建工程取水口試驗(yàn)研究[R].北京：水利水電科學(xué)研究院,1994.

[5] 張繼民.Delft3D在海灣電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2009,40（1）：59-62.