波浪对沿海电厂温排水影响性分析

郝青哲,段宗伯,付 倩

（华北电力大学,河北 保定 071003）

目前,不少大型火电厂及全部待建、已建的核电厂都选址在濒海、港湾、河口地区,利用邻近水域作为冷却水的供应和受纳水域[1]。电厂将废热排入江河湖海中的过程实质上是热量在水体中掺混、对流、扩散的过程。向河道注入较注入点水体温度高的电厂冷却水,就有可能影响注入点附近取水工程的正常运转[2]。如果近岸海域长期受到波浪影响,则电厂温排水要受到它的影响。波浪不断涌向岸边,使近岸海域的流场不断发生变化,影响温排水的热量扩散。

波浪对沿海电厂温排水扩散影响很大,会影响到取水的温度值,因此,建立合理的模型,模拟波浪作用下电厂温排水的温度分布具有现实意义。中国水利水电科学研究院的陈惠泉提出对待电厂冷却水问题时,考虑波浪效应的水力热力模拟[3];香港南丫电厂扩建工程进行了局部水域正态波浪模型试验,验证了物理现象“水帘效应”,即在低水位工况下,波浪由堤岸斜面下退时,已露出水面的取水上部孔口,会被前波上堤水流下泄形成的水帘封住,杜绝空气进入[4];水利部的张继民[5]利用荷兰Delft水力研究院开发的Delft3D模型,对北仑电厂三期扩建工程在潮汐和波浪条件下温排水进行了数值模拟,得到最优方案。

本文在二维模型条件下,模拟振幅一定时不同时刻波浪对排水周围水域的影响,以及同一进刻不同振幅波浪对排水温度分布的作用,分析了各个工况下温排水温度分布特性,论证了波浪对温排水的影响。

1 模型及边界条件

建立二维模型,如图1所示。其中,来流方向平行于岸边,温排水从岸边流入海域,波浪和温排水方向相反,波浪规则且呈周期性变化,来流为稳定流。

计算区域如图2所示,水槽宽度为0.5m,水槽长度为1 m,排水口宽度为0.1m。采用矩形网格计算。

式中,A0为振幅;t为任一时刻;T为波浪运动周期;ω为频率。

设海水来流和温排水速度、温度参数见表1。

波浪呈简谐规律变化的表达式为

表1 各流体参数表

2 模拟结果及分析

2.1 振幅不变时温度场模拟

选用k-ε紊流模型对温度场进行模拟,采用一阶迎风格式对控制方程进行离散,压力和速度的耦合采用simple算法,近壁处采用标准壁面函数法,松弛因子和收敛条件保持默认的给定值不变。

图3是波浪在一个周期T内变化时温度场的模拟结果,波浪在运动过程中对温排水的影响不能忽略。在受波浪影响的水域中,温排水的扩散区域不断产生变化。由图3（a）～（d）可见,一个周期内4个时刻的温度场区域并没有大的改变,稍有波动,排水口右侧高温区域逐渐减小,到T时刻又开始增加;温度场先由扁形逐渐集中到排水口,到T时刻后又向右侧偏移;等温线形状类似波浪形状变化。

2.2 振幅改变时温度场模拟

为具体研究波浪变化对热扩散的影响,改变波浪的振幅进行计算。波浪呈正弦规律变化,设周期T=4 s,波浪的振幅A分别取0.15 m、0.25 m、0.35m、0.45m。不同振幅下流体参数见表2。

表2 不同振幅下流体参数

图4为波浪在1/4T时刻时,振幅变化对温排水热扩散的影响。由图4（a）～（d）可见,在波浪的影响下,高温等温线由突出逐渐变得扁平。产生这种现象的原因除温排水与来流的掺混外,还有波浪的传递作用,使得流体运动的扰动加大。此外,波浪的扰动使等温线呈现类似波浪的形状,振幅越大,等温线的变化趋势越明显。

3 结束语

波浪以正弦规律呈周期性变化,随着波浪的变化,温度场的等温线形状类似波浪的形状变化。在一个周期内,波浪的影响明显,排水口右侧排水影响有减小趋势;波浪的振幅越大,等温线的压缩趋势越显著,形状越来越扁平,垂直河道方向影响越小。因此,波浪对温排水的影响是周期性变化的,找到影响规律,利用其有益方面,最终使温排水热量较快散失在环境中,减小以周围水域生态环境及取水温升的影响。

[1] 陈惠泉.沿海水域火/核电厂冷却水水工布置的优化原则和实践[J].海洋技术,1999,18（4）：82-87.

[2] 杨海燕.具有潮流影响的电厂温排放实验研究[J].贵州水力发电,2005,19（1）：75-78.

[3] 陈惠泉,许玉麟,贺益英.火/核电厂冷却水试验研究50年的进展和体验[J].中国水利水电科学研究院学报, 2008,6（4）：288-298.

[4] 陈惠泉,贺益英.香港南丫电厂扩建工程取水口试验研究[R].北京：水利水电科学研究院,1994.

[5] 张继民.Delft3D在海湾电厂温排水数值模拟中的应用[J].人民长江,2009,40（1）：59-62.