潮汐水域流速場和溫度場的數(shù)值模擬研究.docx

1、第36卷第3期太原理工大學(xué)學(xué)報Vol.36No.32005年5月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYMay2005文章編號：10079432（2005）03-023503潮汐水域流速場和溫度場的數(shù)值模擬研究郝瑞霞，齊偉，李海香，林樹彪（太原理T大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院.山西太原030024）摘要：姑合物建:的深圳前灣電廠冷卻水工程實(shí)際，時電廠溫排水排入附近海域的流速場和溫度場進(jìn)行了平面二維數(shù)值模擬。將流速和潮位的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料進(jìn)行了分析比較.二者吻合良好.在此基址上，對電廠溫排水的溫度影響范圍及取水溫升進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)報，為工程設(shè)計(jì)和環(huán)境評價提供了依據(jù)

2、。關(guān)鍵詞：潮汐水域；二雄枚依模擬$流速場,溫度場中圖分類號:TV137文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A近年來大型電廠相繼在沿海地區(qū)建立起來。電廠冷卻水工程采用表面冷卻方式，將向周圍水環(huán)境中排放大量的廢熱。如何合理地進(jìn)行取排水工程布置.使電廠取到低溫水，是廠方必須考慮的問題；同時，大量廢熱水排入附近水域所引起的水環(huán)境問題也不能忽視。對以上兩方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)是對受納水域溫度場和流速場的定量描述。研究此類問題多采用物理模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算兩種方法，而數(shù)值計(jì)算以費(fèi)用低、速度快、易改變條件等優(yōu)點(diǎn)越來越多被采用。1數(shù)學(xué)模型1.1基本方程從不可壓縮流體運(yùn)動的基本方程出發(fā)，忽略物理量沿水深方向的變化.將其沿水深方向積分，即求得

3、深度平均的平面二維水流運(yùn)動方程。連續(xù)性方程：奕+3（乩）.3（Hu）_ndidy運(yùn)動方程：IduI9$r示+"+石房-乃_壽+£&（HE，爵）+云（*房），w+"云+P=_gE+'"_號妃打+gf+££（HE,案）+云（H哈）.深度平均的熱傳輸方程：3T,3T.3T13/口“3T.,布+“破+，夜=百商*,靛）+13T（脈3T、K,T有反（HK，夜）一卻T=知+£丁=丁'一丁5rw=r.cos*r,y=rsin0,r,=式中：/=2a>sinW,C=-R'6；為從平均水面n算起的水面高度

4、；外為從平均水面算起的水體深度；H為水深“為時間平為水的密度；p.為空氣的密度；g為重力加速度；w為風(fēng)速"為地球自轉(zhuǎn)角速度；W為當(dāng)?shù)鼐暥龋籆d為與風(fēng)速有關(guān)的系數(shù)；r,為表面風(fēng)應(yīng)力為表面風(fēng)應(yīng)力在方向分力；為水深平均流速為坐標(biāo)；K,K,為廣義熱擴(kuò)散系數(shù)；E,E,為廣義渦黏性系數(shù)；K,為水面散熱系數(shù)；C為定壓比熱；丁為水體超溫；廣為水體溫度；丁”為自然水溫。1.2定解條件初始條件以（1,0）=u（xy）»«（1,3,0）=v（j：ty）,£（,、,0）=&（z,y）.1.2.1 邊界條件陸地邊界條件:采用滑移條件，即v=0,潮間收稠日期：200411-

5、08基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20021022）作者簡介：郝瑞1T1965-）,女,山西源源以人.副教授.博士,主要從事水力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)等方面的教學(xué)和科研工作.<Tel（Email）HaoRuiXia何236太原理工大學(xué)學(xué)報第36卷帶采用動邊界模擬處理；溫度為絕熱條件，茶=0、潮流水邊界：給出變化過程，即9（1，'“）=&Z）,其潮位過程由實(shí)測資料推求。流速、溫度采用基于對流的外延插值法獲得。取排水口邊界：速度和溫度由取排水流量和熱量守恒推出。1.3計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算采用分步雜交法。該方法采用三角形網(wǎng)格系統(tǒng)，將計(jì)算的每一時間步長分

6、成兩步進(jìn)行。前半步采用特征線法，主要考慮對流效應(yīng)；后半步采用集中質(zhì)量的有限元法，主要考慮擴(kuò)散效應(yīng)。首先計(jì)算該水域的流速場，并驗(yàn)證其正確性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種取排水工況下溫度場的模擬計(jì)算。1.4參數(shù)選取根據(jù)多個冷卻水工程數(shù)值模擬實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和該海域的特點(diǎn)EJ,計(jì)算參數(shù)選取如下：糙率系數(shù)=0.02；水面散熱系數(shù)K、=48W/m2V：；r義渦黏性系數(shù)E,=E,=5m2/s；廣義熱擴(kuò)散系數(shù)Kx=Ky=530m2/s.2流場驗(yàn)證2.1工程簡介深圳前灣燃機(jī)電廠將建在珠江口大鏟島上，與媽灣電廠隔水相望，在其上游4km處。電廠本期裝機(jī)3X350MW,冷卻水度23.4n?/s,規(guī)劃裝機(jī)6X35OMW,冷卻水量46.

7、8m'/s,溫升均按8*C考慮。同時考慮媽灣電廠裝機(jī)容量6X300MW,冷卻水量72m3/s,溫升8*C.2.2驗(yàn)證資料驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源于2002年7月11日一8月12日對該電廠臨近海域的多點(diǎn)全潮同步觀測資料。綜合水文觀測參考文獻(xiàn)4,5。2.3計(jì)算細(xì)節(jié)根據(jù)工程要求，模擬海域?yàn)閮?nèi)伶仃洋大鏟島附近海域，縱向長度約32km,計(jì)算域覆蓋面積約450kn?.采用能適應(yīng)天然不規(guī)則邊界的三角形計(jì)算網(wǎng)格，并根據(jù)不同的地形情況、水流條件和工程布置要求使網(wǎng)格疏密程度不同。全域采用數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格單元5436個。計(jì)算結(jié)點(diǎn)2869個，計(jì)算網(wǎng)格最小垂線長度為100m.2.4驗(yàn)證結(jié)果及分析根據(jù)實(shí)測大中小潮進(jìn)行了潮流的計(jì)算

8、，并與計(jì)算區(qū)域中的2個潮位測站和8個流速測站的實(shí)測資料進(jìn)行了比較。限于篇幅，文中僅給出了前灣站大小潮位變化過程線（見圖1）和5號測點(diǎn)（電廠附近）的流速和流向過程線（見圖2）,及大潮漲急時的瞬時流速場（見圖3）.計(jì)算結(jié)果表明：1）計(jì)算所得潮位過程和實(shí)際吻合良好。時例7月19日II：00至7月20Q1I:00）圖】計(jì)鼻潮位過程線與實(shí)測值的比較2）計(jì)算結(jié)果顯示前灣電廠附近水域的流動基本上為往復(fù)流動,潮流規(guī)律也與文獻(xiàn)5,6中描述一致。3）計(jì)算所得各流速測點(diǎn)的流速及流向和實(shí)測趨勢一致。3溫度場計(jì)算結(jié)果與分析限于篇幅，文中只介紹方案比較階段的研究成果。在方案比較階段，計(jì)算針對兩個取排水方案（I為西南排東取

9、，II為西南取東排），對大中小三種實(shí)測潮型進(jìn)行了電廠裝機(jī)容量為6X350MW情況下的溫排水計(jì)算，同時考慮已建媽灣電廠的裝機(jī)容量,共6組。其中方案I大小潮的全潮最大溫升包絡(luò)面積圖見圖4,圖5.計(jì)算結(jié)果表明：1）溫度分布規(guī)律主要取決于環(huán)境水域流場的分布與變化。漲潮時，從排水口排出的熱水隨漲潮流沿磯石水道流向上游；落潮時，從排水口排出的熱水隨落潮流向東南流往下游深水區(qū)。郝瑞霞等：潮汐水域流速場和溫度場的數(shù)值模擬研究237ns12實(shí)值:酎何（7月12日10：00£7H13B10：00）2-a大潮2-b小潮圖4全潮大溫升等值敏包絡(luò)面積（大潮）S5全潮大溫升等值線包絡(luò)面積（小潮）圖2計(jì)算流速與實(shí)

10、測流速的比較2）計(jì)算水域溫度場為長條形分布，大小潮相比，大潮水流流速大，熱量輸移遠(yuǎn).其形狀窄而長。3）方案的不同只影響排水口近區(qū)小范圍，對溫升面積的影響很小，特別是低溫面積。4）整體上各方案平均取水溫升不大于0.7P,最高溫升不大于1.5T。方案I略優(yōu)于方案U，瞬時約低0.3V.5）各工況全潮最大溫升i.or等值線未與媽灣電廠貫通,0.5V等值線抵達(dá)媽灣電廠。4結(jié)論1）本文所采用的數(shù)學(xué)模型可用于大范圍水域冷卻水工程的潮流和熱量輸移計(jì)算。2）前灣電廠附近水域水流條件良好，對熱量的稀釋、輸移和擴(kuò)散能力較強(qiáng)，熱量不易集中。（下轉(zhuǎn)第245頁）仲肖清等:MATPOWER在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流實(shí)時電價中的應(yīng)用

11、245TheApplicationofMatpowerinCalculatingSpotPriceofPowerSystemwithOptimalPowerFlowHANGXiao-qing.XlAOYu,ZHANGHai-yan(CollegeofElectrical&PoiverEngineeringofTUTTaiyuan030024tChina)Abstract:MatpowerisapackageofMatlabfilesforsolvingpowerflowandoptimalpowerflowproblems.Accordingtothetheoryofspotprice

12、andtherelationbetweenspotpricingmodelsandtheoptimalpowerflow(OPF),thispaperdiscusseshowmatpowercanbeusedforcalculatingspotpriceofpowersystemwithoptimalpowerflow.ThenumericalresultsofIEEE14-bustestsystemaregiventodemonstratethefeasibility.Keywords：matpower；optimalpowerflow；spotprice(編輯：賈麗紅)（上接第237頁）參

13、考文獻(xiàn)：1 吳江航.計(jì)算流體力學(xué)的理論、方法和應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社,1988.2 柴方昆.珠海電廠冷卻水工程數(shù)值研究報告R.北京：中國水利水電科學(xué)研究院.1992.3 李瑞生.都瑞疫.湛江奧里油發(fā)電廠冷卻水工程平而二維數(shù)值模擬研究報告R.中國：中國水利水電科學(xué)研究院.2002.4 國家海洋局南海T程勘察中心.廣東前灣電廠夏季全潮水文測驗(yàn)分析報告一圖表集R.2002.5 國家海洋局南海工程勘察中心.廣東前灣電廠夏季全潮水文測驗(yàn)分析報告R.2002.ResearchofNumericalSimulationofFlowVelocityFieldandTemperatureFieldandIts

14、ApplicationinProjectHAORui-xia,Qlwei,LIHai-xiang,LINShu-biao(.CollegeofHydraulicEngineeringofTUT,Taiyuan030024,China)Abstract:AccordingtothecoolingwaterprojectofQianwanPowerStation,thetwo-dimensionalplanenumericalsimulationresearchinflowvelocityfieldandtemperaturefieldofthewaterspacewherethermaleffluentisdrainedwasdone.Comparingcalculationresultofvelocityandtidalphasewiththerealdata,theyaremergedwell.Andonthebases*numericalpredictionabouttemp