CORMIX与二维数模、物模在滨海核电厂温排水近区模拟中的比对研究

CORMIX与二维数模、物模在滨海核电厂温排水近区模拟中的比对研究

我国一般采用二维数值模型和物理模型相结合的方式对滨海核电厂的温排水影响范围进行评价,二维数值模型难以模拟近区水流和温排水的分布规律,而开展物理模型试验所需费用高、周期长。CORMIX是在浮射流理论分析和物理模型试验的基础上开发的,对近区的稀释扩散特征模拟结果较好,且使用简单快捷、成本低。本文以我国某滨海核电厂温排水影响范围的模拟为算例,对CORMIX与二维数模、物模进行比较,结果表明,CORMIX对于近区的模拟结果优于二维数模,与物模试验结果的一致性较好。同时,本文还对CORMIX在滨海地区的适用性进行探讨,对于岸线规律、水下地形开阔的区域,CORMIX可作为温排水近区模拟的首选方法。

滨海核电厂;温排水;扩散器;CORMIX

(李 燕 编辑)

1 模型介绍

康奈尔混合区专家系统(Cornell Mixing Zone Expert System,CORMIX)是一项水动力混合区模拟与决策支持系统,由美国康奈尔大学于1996年开发并持续更新完善[8],是美国环境保护署(U.S.EPA)推荐的用于液态流出物排放的混合区环境影响评价模拟和决策支持系统。目前国内常用的数值模型对浮射流考虑不充分,而CORMIX是在浮射流理论分析和物理模型试验的基础上进行开发的,着重考虑扩散器的几何参数和近区浮射流掺混影响[9]。它包括分析深层单孔排放的CORMIX1、分析多孔排放的CORMIX2以及分析表层排放的CORMIX3。CORMIX主程序运行过程包含5个通用模块,依次为DATIN、PARAM、CLASS,HYDRO和SUM,CORMIX主程序计算流程示意图见图1。

图1 CORMIX主程序计算流程示意图Fig.1 Flowchart of CORMIX main calculating processes

CORMIX根据长度尺度、时间尺度与实验结果给出的经验常数进行比较后,对流动形态分类。这些流动形态是根据水深、水体分层、水平侧向流速、排污量、流出物密度、受纳水体密度及扩散管的设计形态等多种因素进行一系列验证实验后确定的,同时给出能代表多种流动形态稀释度的数学公式。受纳水体为非稳定潮汐往复流时,射流与不稳定侧向流的动力学长度尺度Lu为式(1),表示潮汐往复期间流出物在受纳水体中前进距离的一种度量。射流与不稳定侧向流的时间尺度Tu为式(2),表示在速度场转变时排放物可以被认为向静止水体排放之前持续时间的度量。

式中,M0=U0Q0,为动力学动量通量为受纳水体流速随时间的变化率。

2 模型应用

鉴于计算便捷、模拟效果较好,CORMIX在国外核电厂及其他污水排放工程中应用较为广泛。美国大部分核电厂采用CORMIX对沿海和内陆核电温排水的混合区进行数值模拟,例如Chesapeake Bay核电厂采用CORMIX对5种不同潮汐条件进行模拟,最终确定热混合区的范围。此外,在常规污染物排放工程中也有广泛应用,如加拿大Santa Rosa再生水处理工程。

而国内对于CORMIX的应用尚处于消化吸收阶段,研究较少。在2013年中国核能行业协会开展的内陆核电厂环境影响的评估课题中,张爱玲等对CORMIX软件进行了深入调研,包括对CORMIX软件的主要功能模块介绍与应用研究,对CORMIX软件在美国内陆核电厂应用的调研,以及应用CORMIX对内陆核电厂排放口扩散器进行设计。此外,翟海波[10]采用CORMIX对台湾高雄第三期污水排海工程进行研究,李俊雄等[11]采用CORMIX对某内陆核电厂址的排放口型式进行优化;邓宗成和周皓[12]采用CORMIX确定含油污水排海工程近区的混合区范围。

3 CORMIX与二维数模、物模的比较

3.1 算例介绍

我国某滨海核电厂附近岸线平直,工程海域实测涨、落潮平均流速夏季分别为0.24,0.29 m/s,冬季分别为0.16,0.25 m/s。温排水采用离岸深排的方式,排水工程垂直于海岸线布置,排水口位于海域16.7 m水深处,距海岸线长度为2 263.6 m。需要注意的是,CORMIX将输入参数中真实受纳水体的地形特征概化为排放口处水深和排放口离岸距离这两个参数。由于本算例中排放口水深较深、离岸较远,水下地形平缓且均匀,温排水在排水口近区范围内的扩散基本不受水下地形、海岸的影响,主要考虑水体的喷射掺混作用,因此认为对于本算例这种地形的概化是合理的。

排水口头部设4个竖井,尺寸均为4.4 m×4.4 m,竖井顶部设一层盖板,每个竖井周围设置2个3.5 m× 2.0 m出水窗口,出水窗口底部高程为-13.0 m。温排水流量为81.59 m3/s,8个出水窗口的总面积为56 m2,排放流速为1.46 m/s。

3.2 计算方案

实际排放中排放塔同时向4个方向进行排放(图2)。由于CORMIX为模块化的计算软件,单次模拟时只能模拟单个方向的排放,不具备同时向多个方向排放的流态分类。因此,对于同时向4个方向进行排放的情况,需要分别计算各个方向单独排放时的影响范围,再对影响范围进行叠加,如图3所示。本次模拟4个方向上出流的总流量与实际的总流量相同,且模拟假设的各单个方向上温排水的出流流速、流量及动量均与实际排放中该方向的出流流速、流量及动量相同,以尽可能地逼近真实情况,同时采用与物模、数模相近的计算条件,也便于与物模、数模结果进行比较。

图2 电厂实际排放方式示意图Fig.2 Diagram of power plan discharge point

图3 模拟计算的排放方式Fig.3 Different discharge modes

3.3 计算工况

根据已开展的二维数模与物模结果,夏、冬两季典型潮中温排水影响范围最大的是夏季中潮,因此选用夏季中潮作为计算工况。排放口附近夏季中潮潮位、流速、流向过程见图4,在计算中采用4个典型时刻(涨急、涨憩、落急、落憩)实测的环境流流速、流向以及相应水深作为计算输入。

3.4 计算过程

将涨急、涨憩、落急、落憩四个时刻的4℃温升影响范围叠加后,取矩形进行包络,作为该时刻的温升影响范围。再对4个时刻的温升影响范围叠加,作为最终的影响范围,本方案的模拟流程见图5。

图5 本方案的模拟流程Fig.5 Flowchart of simulation of COMIX

3.5 CORMIX与二维数模、物模模拟结果比较

表1 CORMIX与二维数模、物模模拟结果比较Table 1 Comparison between CORMIX and 2D model and physical model

图6 4℃温升影响范围(m)Fig.6 Area for 4℃-temperature increase(m)

图7 3℃温升影响范围(m)Fig.7 Area for 3℃-temperature increase(m)

由CORMIX与二维数模、物模模拟结果比较可以看出,对于4℃温升区CORMIX的模拟结果略大于物模结果,但结果的量级相当,温升分布上也基本可以包络物模结果。对于3℃温升区,CORMIX的模拟结果大于物模结果,温升分布上也基本能包络物模结果。

CORMIX与物模温升影响范围的模拟结果更加相近,说明该模型能够比较真实地反映排放口近区温排水的掺混稀释特征。

4 CORMIX的优点及适用性

1)二维数模计算区域较大,一般用于模拟远区的水体弥散规律,并为物理模型提供输入。由于二维数模是对垂向温升的平均,因此它无法反映排水口附近区域温升的垂向变化情况。一般情况下,对于水深较大的水域,由于温差分层效应,垂向平均二维数学模型在高温升区面积的计算结果小于物模试验。

与之相比,CORMIX可以比较真实地反映排水初始掺混稀释特征,更适用于近区的温度场模拟。

2)物模试验对排放口近区流场和温排水的模拟效果较好,但开展物模试验的花费大、周期长,且物模试验一般在工程项目的初期完成,随着建造的进行,如果取排水流量、温升或排放方式等条件发生变化,重新开展物模试验代价大。

CORMIX使用简单快捷、成本低、无需试验场地、可实现性高,随时可以根据变化调整方案进行模拟,且在近区基本可以达到物模试验的预测精度,在进行核电厂排放口的初步比选或多堆厂址扩建项目温排水复核时有较高的应用价值。

3)CORMIX在数据处理过程中,会简化受纳水体的地形特征,因此,CORMIX更适用于岸线规律、水下地形开阔的水体,即岸线和水下地形对温排水稀释扩散影响较小的水体,对于这类水体,CORMIX可以作为温排水近区模拟的首选方案。但是,CORMIX无法完全取代物理模型,因为CORMIX在模拟时需对排放口、地形、岸线进行简化,也无法考虑取排水之间的关系,在确定详细的排放口形式、尺寸时仍需要物模试验,对水面狭窄或几何构造较复杂的受纳水体来说,地形简化后可能会对模拟结果产生较大影响,在应用该软件时必须进行适用性分析。

5 结 语

CORMIX软件的引进和使用为滨海地区温排水近区的模拟提供了新方法。通过对我国某滨海电厂温排水近区的模拟,对比分析了二维数模、物模和CORMIX三种模拟方式的结果,CORMIX对于近区稀释扩散特征的模拟优于二维数模,与物模结果一致性较好,且与物理模型相比CORMIX使用简单快捷、成本低。对于温排水排放及稀释扩散影响受岸线和水下地形影响小的区域,CORMIX可作为温排水近区模拟的首选方法。

[1] ZHANG A L,WANG P,CHEN Y Y.Some problems and review opinions on physical impact simulation of thermal discharge from coastal nuclear power plant[J].Radiation Protection Bulletin,2011,31(1):21-24,27.张爱玲,汪萍,陈莹莹.滨海核电厂温排水物理影响模拟中几个关注问题及审评见解[J].辐射防护通讯,2011,31(1):21-24,27.

[2] ZHAO Y J.Prevention and control system for thermal pollution of heated effluent from thermal(nuclear)power plants[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(1):74-77.赵懿珺.火(核)电厂温排水热污染防控体系研究概述[J].水利水电科技进展,2012,32(1):74-77.

[3] ZHANG A L,WANG S W,ZHAO Y J,et al.Analysis of key issues in environmental impact assessment of thermal discharge from coastal nuclear power plant[J].Environmental Impact Assessment,2015,37(3):57-60.张爱玲,王韶伟,赵懿珺,等.滨海核电厂温排水环评关键问题分析[J].环境影响评价,2015,37(3):57-60.

[4] ZHANG C K.YAO J,TAO J F.Advances in numerical simulation of thermal discharge of heat or nuclear power plants in coastal areas[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2010,30(3):84-88.张长宽.姚静.陶建峰.滨海火、核电厂温排放数值模拟研究进展[J].水利水电科技进展,2010,30(3):84-88.

[5] HAO R X,HAN X S.Quasi 3-D numerical model for flow and heat transport of power plant cooling water discharged into coastal area[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2004(8):66-70.郝瑞霞,韩新生.潮汐水域电厂温排水的水流和热传输准三维数值模拟[J].水利学报, 2004(8):66-70.

[6] ZHU J Z.Numerical simulation of 3-D cooling water in the huge tidal bay[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2007(8):56-60.朱军政.强潮海湾温排水三维数值模拟[J].水力发电学报,2007(8):56-60.

[7] HE G J,ZHAO H M,FANG H W.3D numerical simulation for flow and heat transport of power plant affected by tide[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2008(6):125-131.何国建,赵慧明,方红卫.潮汐影响下电厂温排水运动的三维数值模拟[J].水力发电学报,2008 (6):125-131.

[8] LIU Y Y,YANG Y,LIU FD.Introduction of Cornell mixing zone expert system(CORMIX)[J].Radiation Protection Bulletin,2012,32 (1):42-45.刘永叶,杨阳,刘福东.康奈尔混合区专家系统(CORMIX)软件简介[J].辐射防护通讯,2012,32(1):42-45.

[9] ROBERT L D,GERHARD H J.Cormix User Menual[R].USA:EPA,2007:21-32.

[10] ZHAI H B.Study of initial dilution in sewage disposal area near the sea[D].Shanghai:Tongji University,2002.翟海波.污水海洋处置近区初始稀释研究[D].上海:同济大学,2002.

[11] LI J X,CHEN X L,JI P,et al.Study on optimization of inland nuclear power plant liquid effluent outfall type[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2015(5):391-396.李俊雄.陈小莉.纪平,等.内陆核电液态流出物排放口型式优化研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2015(5):391-396.

[12] DENG Z C,ZHOU H.Mixing zone scoping for oil sewage containing marine areas[J].Environmental Science and Management,2015 (12):67-71.邓宗成,周皓.含油污水海洋处置的混合区范围界定探讨[J].环境科学与管理,2015(12):67-71.

Received:March 9,2016

Comparison Between CORMIX and Traditional Models on the Simulation of Coastal Nuclear Power Plant Water Discharge

ZHANG Kun1,ZHANG Ai-ling1,QIN Chun-li2,WANG Shao-wei1
(1.Nuclear and Radiation Safety Center,MEP,Beijing 100082,China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute,CGNPG,Suzhou 215004,China)

Combination of 2D numerical model and physical model is mostly used in the simulation of the thermal plume formed by coastal nuclear power plant water discharge.It is difficult for a 2D model to simulate the flow and temperature distribution in near zone.Using physical model for experiments means higher cost and longer experiment cycle.CORMIX is developed based on buoyant jet theoretical analysis and physical model experiments,and can produce satisfactory simulation of dilution and dispersion characteristics in near zone.Besides,CORMIX is relatively simple and cheap.In this paper,CORMIX is compared with the 2D model and physical model by simulating thermal plume of a coastal nuclear power plant.The results demonstrate that CORMIX is better than the 2D model and in good agreement with physical model in near zone,and CORMIX's applicability in coastal area is also discussed.CORMIX is the best simulating method for thermal plume in the area where shoreline is smooth and bottom topography is flat.

coastal nuclear power plant;thermal plume;diffuser;CORMIX

X834

:A

:1671-6647(2017)01-0117-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.012

2016-03-09

国家科技重大专项基金资助项目——CAP1400安全审评关键技术研究(2013ZX06002001-010)

张 琨(1986-),女,河北石家庄人,工程师,硕士,主要从事核电厂环境影响评价方面研究.E-mail:zhangkun913@qq.com

*通讯作者:张爱玲(1973-),女,山东潍坊人,研究员,硕士,主要从事核电厂环境影响评价方面研究.E-mail:zhang20040701@sina.com计算上与实际有较大偏差。全三维紊流模型目前多用于恒定流条件下的模拟,对于水面随潮起伏变化的潮汐水域,自由面的追踪非常困难,而且计算量极其庞大,当前的计算能力还难以胜任。CORMIX模型是基于长度比尺模型开发的经验模型,从影响射流近区掺混稀释的主要因素出发,采用单宽比质量通量、比动量和比浮力等作为基本参量进行射流分类。该模型物理概念清晰,没有复杂的网格划分和验证过程,只需根据软件的设置输入概化后的环境资料和排放口设计参数,就可以得到计算结果,使用方便快捷,在国内外工程研究中得到广泛应用。本文以我国某滨海电厂温排水近区模拟为算例,对CORMIX与二维数模、物模进行比较,并对CORMIX在滨海地区的适用性进行探讨。

张 琨1,张爱玲1*,覃春丽2,王韶伟1

(1.环境保护部 核与辐射安全中心,北京100082;2.中广核集团 苏州热工研究院,江苏苏州215004)

目前,我国运行和在建滨海核电厂的冷却方式均采取海水直流冷却方式,循环冷却水的温升一般大于7℃[1]。核电厂因其安全性要求非常高,厂址相对稀缺,通常一个滨海核电厂址的规划容量按照6台百万千瓦级机组考虑,即采用“一址多堆”的建设模式[2]。单台百万千瓦核电机组的排水流量大约60 m3/s,据此估算一个核电厂址在运行时排热量可达1.1×107kJ/s。蕴含巨大热量的核电温排水集中排入海域后,必然会对海洋生态环境产生热污染,尤其在排放口近区温升较高的区域。因此,温排水的热污染问题是我国核电建设过程中面临的主要环境问题之一[3],对于温排水影响范围的评价是核电厂运行期间环境影响评价的重要内容。

对于滨海核电厂,工程上一般采用平面二维数值模型和物理模型试验相结合的方式对温排水的影响范围进行评价。温排水与受纳水体的掺混及传热过程是一个三维过程,在温排水排放口附近水域,温差引起的浮力效应是影响温排水排放口近区流场和温升场的重要因素,滨海水域复杂的海底地形、潮汐动力条件以及明显的盐度层结效应亦使得水域的温排水在环境水体中的扩散过程异常复杂,二维模型难以反映出水流和温排水的分布规律[4]。尤其是对于采用深排方式的温排水,在模拟时浮力特性不可忽略,平面二维模型对其近区的模拟已不再合适,需采用三维模型进行模拟。要了解温排水垂向水流特性和温度分布,也必须进行三维模拟。

目前,工程中采用物理模型试验进行近区的三维模拟,但其缺点在于开展物模试验所需费用高、试验周期长。近年来,垂向分层准三维数学模型在滨海地区电厂温排水模拟研究中应用较多,也取得一些研究成果,例如,郝瑞霞等采用三维离散型边界拟合坐标变换下的控制体积法对泉州湾某核电厂温排水温升范围进行模拟[5];朱军政等采用DELFT-3D对乐清湾内某滨海电厂的温排水进行模拟[6];何国建等采用EFDC模块对山东海阳核电厂温排水的三维扩散范围进行模拟[7]。分层三维模型虽然可以在一定程度上反映排水出流浮力作用和垂向水温分层效应,但由于该模型采用布辛涅斯克假定,忽略了垂向加速度,因此在近区模拟