电厂温排水热扩散三维数值模拟研究

佘格格

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

温排水是指电厂冷却水中温升约10℃并经由电厂重新排回自然水体的那部分水，会引起工程附近河道水体温升变化。同时温排水扩散引起的取水温度升高会降低机组的效率，甚至由于过度的热回归效应而导致停机[1]。温排水扩散问题涉及取排水平面布置，是工程的一个核心技术问题。因此，温排水温度三维分布的研究对指导电厂设计与控制水体污染等方面具有重要的现实意义。

1 三维数学模型建立

1.1 控制方程

为适应水域床面和自由表面变化缓慢，选用σ坐标描述浅水流动和温度输运三维数学模型。这样数值离散与计算过程中，计算域在垂向可以分为相同的层数，带来了网格剖分和数值离散的方便[2]。同时在σ坐标下可以精确地给定床面和水面的边界条件，使结果在垂向有较高的分辨率。

1.1.1三维水流运动方程

笛卡儿坐标系下的水流运动控制方程为：

(1)

(2)

(3)

其中，

(4)

(5)

(6)

式中，u、ν、w—在x、y、z方向的流速分量；w—通过某一σ坐标层的流速；h—水深；f—柯氏力系数，f=2ΩsinΦ;Ω—地球旋转角速度;Φ—地理纬度；g—重力加速度；ρ—水体密度，密度为温度和盐度的函数，ρ=ρ(T，S)；ρ∘—参考密度；A—水平紊动黏性系数；νt—垂向紊动黏性系数；pa—大气压强；us、vs—排入环境水体中的水流流速；S—点源流量。

1.1.2温度运输方程

(7)

(8)

1.2 初始条件

计算水动力时，初始时刻水域各点初始温升取为0或是取水口温升值对结果精度影响不大。所以模型初始流速均设置为0，初始水位为计算条件中各时期河段平均水位。模型边界由自由表面与床面组成。水气界面上的流速边界条件由假定给出。自由表面处温度由表面散热条件确定，床面温度满足绝热条件。

2 数值计算方法

研究采用基于非结构三角形网格的有限体积法求解温排水运动的数学模型[4- 6]。为了适应地形的复杂变化，研究中采用非结构三角形网格对计算区域进行离散，选用网格中心式的有限体积法离散控制方程。求解三维水流模型时，时间积分采用半隐格式，将水平项的时间积分采用二阶龙格库塔格式，垂直项的时间积分采用二阶隐式梯形格式。在三维温度运输方程的求解中，将水平与垂直非黏性项采用二阶龙格库塔格式，垂直黏性项采用二阶隐式梯形格式积分。

3 模型验证

在验证计算时采用某电厂实测资料。验证内容包括水流验证及水温验证，水流验证内容有水面线、断面流速分布和分流比验证。

水文测验沿程共布设6个水尺，实测期间沿着计算河段布置了CS1～CS5共5个，在排水口上下游布置了3个采样点，分别位于排水口上游50m、排水口末端中点和排水口下游500m处，进行同期垂线点温升观测，具体布置情况如图1所示。电厂已建2×300MW机组，夏季用水量约25.0m3/s，排水温升约9.0℃；冬季用水量约15.0m3/s，排水温升约14.0℃。共布置了20330个网格节点和39430个计算单元，在垂直方向对水体进行分层，层数为20。

图1 各断面布置

3.1 水位验证成果

采用实测的水面线资料(21900m3/s)进行糙率率定，采用水面线资料(Q=11700m3/s)进行水面线验证，其成果见表1。

表1 水位验证成果 单位：m

3.2 断面流速验证成果

由于篇幅限制，图2为流速计算值与实测值对比图，表2为计算与实测垂线平均流速对比表，统计得到各断面上不同测点流速计算值与实测值间误差一般均在0.10m/s内。

图2 流速计算值与实测值对比

表2 测流断面计算与实测流速对比单位:m/s

3.3 汊道分流比验证

对测流时汊道分流比进行了验证，见表3。由表3可见，汊道分流比误差均在1%内，说明汊道分流比验证较好。

表3 汊道分流比验证 单位：%

3.4 温升分布验证

将计算温升与实际测得温升进行比较见表4。可以看出排水口上、下游采样点温升验证均较好，而排水口处采样点误差稍大，总体而言，计算值与实测值大部分吻合。

表4 温升分布验证 单位：℃

由以上结果可见，模型能够较好地模拟整个计算河段的水流运动与温度场分布。

4 结语

采用的三维温排水数学模型较好地模拟了计算河段的水流运动，水面线过程、断面流速分布及汊道分流比验证较好，并采用实测资料对模型温度场进行了验证，数学模型计算方法可行，参数取值合理，可为类似情况提供工程参考。