CN106446438B - 一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法，包括：建立远区模型；远区模型启动；远区模型计算；近区模型调用判断；模型转换；生成近区射流沿程流量和浓度源项；远区模型结束判断。本发明采用近区射流积分模型模拟近区浮射流稀释过程，提出了通过分散汇流方法将近区模型计算结果转化成输入远区模型的源项计算公式，提出了近区与远区数学模型动态耦合的方法。提出的近远区耦合模型方法能够更合理反映热水上升过程中以及最终上升高度处的稀释度及源项，同时能保证水流质量守恒，对表层高温升影响范围模拟精度有明显的提高，为准确评价核电温排水排放环境影响提供了有用的科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法，是一种环境水力学计算方法，是一种电厂温排水深水排放数值模拟近区和远区耦合的方法，是一种适用于核电厂和火电厂温排水深水排放的温升扩散范围的模拟计算方法。
背景技术
温排水引起的局部海域水温升高是火、核电厂面临的重要环境问题。温排水在受纳水域稀释分为近区稀释和远区稀释过程，两个过程在空间和时间尺度上差异很大，采用同一个模型同时兼顾近远区模拟十分困难。以往采用的方法是近区采用模型试验或经验射流模型，解决近区初始稀释问题，模型无法准确模拟远区稀释扩散；远区采用大范围二维或分层三维数学模型，对近区三维特性反映存在失真，影响整体模拟精度。目前缺少近区和远区耦合数学模型方法。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法。所述的方法针对火力、核发电厂温排水近、远区稀释扩散的研究对象，建立了温排水远区三维数学模型和近区经验数学模型，研究了适应核电厂温排水近区射流稀释与远区随流扩散之间的参数传递和动态耦合实现方法，解决了温排水稀释扩散模型对近区和远区不能兼顾模拟的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法，所述方法的步骤如下：
建立远区模型的步骤：用于建立远区三维水动力数学模型网格，并设定计算域的水动力及物质输运计算边界条件，设定模拟时间段长度、温排水远区模型求解时间步长，以及选取近区模型调用时间间隔；
远区模型启动的步骤：用于启动远区模型，开始水动力和水温求解计算；
远区模型计算步骤：远区模型计算步骤：用于远区模型在计算网格和时间步长上离散求解水动力和水温输移扩散方程，计算模拟区域内的水动力过程和水温输移扩散。
近区模型调用判断步骤：用于从远区模型模拟时间段的开始，完成每一时间步长水动力过程及水温输移扩散求解后，判断模拟时间间隔长度是否达到近区模型调用时间间隔，如果“是”则计算排放口附近环境参数，包括：流速、水深和水温垂向分布，将已经计算的环境参数制作成近区模型输入文件，之后进入“模型转换的步骤”，如果“否”则返回“远区模型结束判断的步骤”；
模型转换的步骤：用于使远区模型处于等待状态，启动近区模型，计算温排水射流出流轨迹和沿程稀释度，生成近区模型输出文件，近区模型输出文件生成后近区模型关闭，所述生成近区模型输出文件的过程包括如下子步骤：
选取近区射流稀释过程计算模型，计算浮射流轨迹及沿程稀释度；
根据射流计算的沿程稀释度，计算射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布：
将浮射流分为n段，其中，第1至n-1个单元为“卷吸汇”单元，第n单元，也就是最终高度稀释出流端，为“扩散源”单元，单元i(i=1，2，...，n-1)上流量源项为：
(1)
单元i上浓度源项为：
(2)
最终上升高度出流单元n上流量源项为：
(3)
最终上升高度出流单元n上浓度源项为：
(4)
其中Q 0为射流排放流量，S i 为单元i的稀释度，通过近区模型计算获得， C a 为远区模型计算的环境浓度，C 0为射流排放浓度；
搜索近区射流轨迹沿程中心点在远区模型网格上的节点位置，将计算的射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布传递给远区模型，关闭近区模型；
生成近区射流沿程流量和浓度源项的步骤：用于开启暂停状态的远区模型，使远区模型找到新的近区模型输出结果文件，查找近区射流沿程中心点在远区模型网格上的节点编号，计算近区射流沿程流量和浓度源项；
远区模型结束判断的步骤：用于判断本次计算是否为模拟时间段的结尾，如果“是”则结束计算，如果“否”则回到“近区模型调用判断步骤”。
进一步的，所述的近区模型是Corjet模型，远区模型是Delft3D三维水动力模型。
进一步的，所述的远区模型的求解时间步长取为15秒，近区模型的调用时间间隔为5分钟。
本发明产生的有益效果是：本发明采用近区射流积分模型模拟近区浮射流稀释过程，提出了通过分散汇流方法将近区模型计算结果转化成输入远区模型的源项计算公式，提出了近区与远区数学模型动态耦合的方法。提出的近远区耦合模型方法能够更合理反映热水上升过程中以及最终上升高度处的稀释度及源项，同时能保证水流质量守恒，对表层高温升影响范围模拟精度有明显的提高，为准确评价核电温排水排放环境影响提供了有用的科学依据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述的近区与远区模型动态耦合流程图；
图2是本发明的实施例一所述应用实例的排放口位置图；
图3是本发明的实施例一所述应用实例的水位验证图；
图4是本发明的实施例一所述应用实例的流速、流向验证图；
图5是本发明的实施例一所述应用实例的近区向远区传递参数的沿程源汇项示意图；
图6是本发明的实施例一所述应用实例的涨急时刻温度垂向分布对比图；
图7是本发明的实施例一所述应用实例的落急时刻温度垂向分布对比图；
图8是本发明的实施例一所述应用实例的不同模型计算的潮周表层温升影响范围；
图9是附表1，是本发明的实施例一所述应用实例的不同模型计算的表层温升影响面积比较；
图10是附表2，是本发明的实施例一所述应用实例的不同模型计算的温升影响范围无量纲几何尺度比较。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种电厂温排水深水排放的近远区耦合模拟方法，流程如图1所示。本实施例是一种可以编制为计算机程序的算法过程，计算所使用的硬件可以为通用计算机工作站，或其他具有数字存储和运算能力的电子数字计算系统。
本实施例将温排水近区射流稀释和远区环境流稀释过程分别采用不同模型模拟，近区采用射流积分模型，远区采用三维水动力数学模型。远区计算环境参数向近区传递参数，近区通过源项形式向远区传递参数，通过程序动态调用实现温排水近、远区稀释扩散动态耦合模拟。
本实施例所述方法的步骤如下：
（1）建立远区模型的步骤：用于建立远区三维水动力数学模型网格，并设定计算域的水动力及物质输运计算边界条件，设定模拟时间段长度、温排水远区模型求解时间步长，以及选取近区模型调用时间间隔。
首先应当选取近、远区模型。可以选取近区模型Corjet、Visjet、Visual Plumes模型，远区可以采用Delft3D、EFDC、Telmac3D、FVCOM三维水动力开源代码。
以远区模型Delft3D作为主程序，通过调用时间步长控制调用近区模型的节点，到达计算近区的时间节点，输出Corjet程序所需的输入文件，删除已有Corjet输出文件，启动Corjet程序，等待新的Corjet输出文件结束后，将近区结果导入远区源项中继续水动力求解。Corjet程序完成计算后，生成输出文件，自动结束等待下一次调用。
建立远区三维水动力数学模型。应用实例：温排水排放口离岸距离约3.5km，排放点处水深21m，排放口中心离底高度5m，采用暗涵排水，排水位置如图2所示。远区数学模型模拟范围沿岸线长约140km，离岸约45km，计算域面积约8000km2，水平网格最小分辨率为50m，垂向采用s网格，分10层。单独启动远区计算模型，采用实测水文资料对水动力模拟参数进行校验，图3所列为水位验证图，图4所列为流速和流向验证图。
数学模型所需模拟的时间段长度一般为一个涨落潮周期，大约为24小时，为了消除初始条件赋值对计算结果的影响，一般会在正式模拟时间段之前采用若干个涨落潮周期作为计算预热期，对于一个24小时的正式模拟时间段，预热时段长一般为模拟时间段的10~20倍长，以预热时段长加上正式模拟时间段的总时长作为计算开始到结束的整个过程，实施例海域温排水计算了20个潮周期以消除初始条件与实际存在偏差的影响，选取最后一个潮周期进行结果统计。远区模型求解时间步长为模型方程求解时在时间上的离散步长，应用实例中计算温排水时远区模型求解时间步长可以选取为15秒。近区模型的调用时间间隔为近区模型求解源项并向远区模型传递的间隔时间长度，此间隔时长反映远区环境参数流速、水深、温度分布随时间变化对近区模型输出结果的影响，近区模型求解所需要的环境流变化时间步长可以更大一些，可以选取近区模型调用时间间隔为5分钟。
（2）远区模型启动的步骤：用于启动远区模型，开始水动力和水温求解计算；
（3）远区模型计算步骤：用于远区模型在计算网格和时间步长上离散求解水动力和水温输移扩散方程，计算模拟区域内的水动力过程和水温输移扩散。
（4）近区模型调用判断步骤：用于从模拟时间段的开始，每一时间步长完成水动力过程及水温输移扩散求解后，判断计算时间步间隔长度是否达到近区模型调用时间间隔，如果“是”则计算排放口附近环境参数，包括：流速、水深和水温垂向分布，将已经计算的环境参数制作成近区模型输入文件，之后进入“模型转换的步骤”，如果“否”则返回“远区模型结束判断的步骤”。
远区模型计算到达调用近区的时间步时，进入近区模型调用流程，根据远区模型计算环境流场和温度场提取排放口所在处临近的远区模型网格上的起始排放时刻的水深、流速和水温沿水深垂向分布，计算环境流速方向与排放口出流方向的水平方位夹角，将水深值、垂向平均流速值、环境流速与排放口出流方向的方位夹角、水温沿水深分布提取出来，与排放口的出流流量、排放管径、出流仰角等参数按近区模型Corjet的输入文件格式制作输入文件，放入Corjet模型启动文件所在文件夹中，替换已有的输入文件。
（5）模型转换的步骤：用于使远区模型处于等待状态，启动近区模型，计算温排水射流出流轨迹和沿程稀释度，生成近区模型输出文件，近区模型输出文件生成后近区模型关闭。在这一过程中，并不是完全关闭远区模型，而只是将远区模型处于暂停的状态，等待近区模型的计算结果。应用实例中Corjet模型启动后，计算温排水浮射流轨迹和沿程稀释度，自动生成输出文件，其中包含了以射流起始点为坐标原点的射流中心线沿程x i ，y i ，z i 坐标以及稀释度S i 。
本实施例通过动态调用实现温排水近、远区稀释扩散动态耦合模拟，其中，以远区模型为主导，通过动态调用近区模型，生成近区模型输出文，实现动态耦合。生成近区模型输出文件的过程包括如下子步骤：
选取近区射流稀释过程计算模型，计算浮射流轨迹及沿程稀释度。
根据射流计算的沿程稀释度，计算射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布。
将浮射流分为n段，其中，第1至n-1个单元为“卷吸汇”单元，第n单元，也就是最终高度稀释出流端，为“扩散源”单元，应用实例中近区向远区传递参数的沿程源汇项如图5所示。采用“汇”模拟射流各分段上的卷吸水量，沿程经卷吸进入射流内的环境流均汇集到最终上升高度，与排放流量叠加后作为源项进入环境水体。具体计算公式如下：
单元i(i=1，2，...，n-1)上流量源项为：
(1)
单元i上浓度源项为：
(2)
最终上升高度出流单元n上流量源项为：
(3)
最终上升高度出流单元n上浓度源项为：
(4)
其中Q 0为射流排放流量，S i 为单元i的稀释度，通过近区模型计算获得， C a 为远区模型计算的环境浓度，C 0为射流排放浓度。
搜索近区射流轨迹沿程中心点在远区模型网格上的节点位置，将计算的射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布传递给远区模型，关闭近区模型。
（6）生成近区射流沿程流量和浓度源项的步骤：用于开启暂停状态的远区模型，使远区模型找到新的近区模型输出结果文件，查找近区射流沿程中心点在远区模型网格上的节点编号，计算近区射流沿程流量和浓度源项。
回到远区模型中近区调用流程，读入近区模型输出文件中的x i ，y i ，z i ，S i 值，根据远区模型中射流起始点的坐标X 0，Y 0，Z 0 ，计算射流中心线沿程坐标在远区模型上的位置，X i =X 0+x i ，Y i =Y 0+y i , Z i =Z 0+z i ，搜索远区模型网格，找到X i ，Y i ，Z i 所在网格节点，根据射流沿程稀释度S i 值、排放流量Q 0、排放浓度C 0和环境水温计算值C a 计算该网格节点上的流量源项：
，
温度源项：，
射流最终上升高度处流量源项：
，
浓度量源项：，
其中射流最终上升高度处中心点编号i=n。
将近区计算产生的流量源项输给远区模型源项变量中，继续远区模型求解过程，循环直到计算时间结束。
图6和图7是应用实例中比较了排水口附近3个位置上不同源项处理方法数模计算的垂向温升分布与物理模型测量结果（测点位置见图2所示）。图6所示为涨急时刻，热水向涨潮流方向偏转，2#、3#测点表底水温分层现象明显，从0~5m水深范围看：采用耦合模型得到的表层水温结果与物模模型更接近；采用远区模型直接点源方法计算的表层温升值偏低。图7中落急时刻，主流方向朝向x轴反方向，1#、2#测点表底水温分层明显，耦合模型计算的中上层高温升区与物理模型试验更接近。由于近区浮射流初始稀释对远区温升结果影响最主要体现在最终上升高度、以及该处的浓度值和源强，采用本实施例能够合理反映此结果，故而本实施例更适宜反映近区对远区温度场计算的影响。
应用实例中，采用本实施例和远区模型直接点源方法计算两种方法进行比较。采用两种方法计算的大范围表层温升影响范围（热水团主要分布在0~5m水深范围，数模采用表层和次表层平均）与物理模型结果的比较见图8和图9中的附表1所示，从1℃温升分布形态和面积看，耦合模型计算的温升分布形态及影响面积与物模更为接近，远区模型直接点源方法计算结果则与物模形态差异较明显。2℃以上温升范围耦合模型计算结果与物理模型试验接近，采用Delft3D远区模型直接点源方法计算的2℃和3℃温升范围均未统计到。图10中附表2中列出了不同模型计算的温升影响几何尺度与物理模型的比值，耦合模型计算的大部分结果与物理模型更为接近，远区模型直接点源方法计算的高温升影响范围计算偏小，2℃以上影响范围未能统计到。上述结果表明采用本实施例对于1℃以上表层温升影响范围计算精度确有提高。
（7）远区模型结束判断的步骤：用于判断本次计算是否为模拟时间段的结尾，如果“是”则结束计算，如果“否”则回到“近区模型调用判断步骤”。
实施例二：
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于模型的细化。本实施例所述的近区模型是Corjet模型，远区模型是Delft3D三维水动力模型。
Corjet模型通过求解无限水域内射流积分方程得到射流轨迹以及沿程稀释度。对单喷口出流，近区模型较容易得到沿程稀释度分布；对多喷口出流，由于每个喷口在初始出流时有各自的轨迹线，经过一段距离后又存在相互交叉影响，近区模拟一般有两种处理方法：一种是忽略射流未相互交叉段，将出流等效为线源出流，适用于动量小、密度差大的情况；另一种方法是将多喷口排放等效为互不干扰的若干单喷口出流叠加处理，保证出流流量、动量和浮力不变。温排水属于弱浮力射流，本实施例采用后一种处理方法。Corjet模型是基于恒定环境流条件的积分模型，潮汐水域潮流场是随时间变化的，在进行近区求解时需要近似处理。斯特罗哈数是反映非恒定流特性的参数，天然海域潮流的ST数一般在10-4量级，因此，可以将潮流进行分段准恒定假设，在每个时间段内针对排放口附近环境流速、水深和密度垂向分布进行近区求解。Delft3D模型可以实现三维水动力(包括温盐) 模拟。模型基于Boussinesq和垂向静水压力假定，浮力在重力项中反映，垂向扩散系数采用k-e模型计算，通过水的状态方程计算温盐差引起的密度差，通过表面热通量或综合散热公式计算水体表面热交换通量。Delft3D模型提供了贴体曲面四边形网格生成系统，可以较好的拟合复杂岸线，在垂向上使用s网格系统，模型变量布置在交错网格上，数值离散采用有限差分格式，求解采用ADI方法，在求解污水排放远区大范围影响方面有广泛应用，其水动力及温盐模块为开源代码，便于开展二次开发。
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于模型的细化。本实施例所述的远区模型的求解时间步长取为15秒，近区模型的调用时间间隔为5分钟。
远区模型求解时间步长为模型方程求解时在时间上的离散步长，是保证数值求解稳定准确的参数，时间步长过大可能导致计算发散，时间步长过小计算代价增加。近区模型的调用时间间隔为近区模型求解源项并向远区模型传递的间隔时间长度，此间隔时长反映远区环境参数变化对近区模型计算的影响，时间间隔取得过大则对环境参数的时间变化特征捕捉不够完整，造成源项输入不连续，以致温度计算结果时间上连续变化不合理，时间间隔取得过小则频繁暂停远区模型，调用近区模型，降低计算效率。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如模型的选择、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
建立远区模型的步骤：用于建立远区三维水动力数学模型网格，并设定计算域的水动力及物质输运计算边界条件，设定模拟时间段长度、温排水远区模型求解时间步长，以及选取近区模型调用时间间隔；
远区模型启动的步骤：用于启动远区模型，开始水动力和水温求解计算；
远区模型计算的步骤：用于远区模型在计算网格和时间步长上离散求解水动力和水温输移扩散方程，计算模拟区域内的水动力过程和水温输移扩散；
近区模型调用判断的步骤：用于从远区模型模拟时间段的开始，完成每一时间步长水动力过程及水温输移扩散求解后，判断模拟时间间隔长度是否达到近区模型调用时间间隔，如果“是”则计算排放口附近环境参数，包括：流速、水深和水温垂向分布，将已经计算的环境参数制作成近区模型输入文件，之后进入“模型转换的步骤”，如果“否”则返回“远区模型结束判断的步骤”；
模型转换的步骤：用于使远区模型处于等待状态，启动近区模型，计算温排水射流出流轨迹和沿程稀释度，生成近区模型输出结果文件，近区模型输出文件生成后近区模型关闭，所述生成近区模型输出文件的过程包括如下子步骤：
选取近区射流稀释过程计算模型，计算浮射流轨迹及沿程稀释度；
根据射流计算的沿程稀释度，计算射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布：
将浮射流分为n段，其中，第1至n-1个单元为“卷吸汇”单元，第n单元，也就是最终高度稀释出流端，为“扩散源”单元，单元i(i＝1，2，...，n-1)上流量源项为：
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单元i上浓度源项为：
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其中Q0为射流排放流量，Si为单元i的稀释度，通过近区模型计算获得，Ca为远区模型计算的环境浓度，C0为射流排放浓度；
搜索近区射流轨迹沿程中心点在远区模型网格上的节点位置，将计算的射流轨迹沿程流量和浓度源汇项分布传递给远区模型，关闭近区模型；
生成近区射流沿程流量和浓度源项的步骤：用于开启暂停状态的远区模型，使远区模型找到新的近区模型输出结果文件，查找近区射流沿程中心点在远区模型网格上的节点编号，计算近区射流沿程流量和浓度源项；
远区模型结束判断的步骤：用于判断本次计算是否为模拟时间段的结尾，如果“是”则结束计算，如果“否”则回到“近区模型调用判断的步骤”。
2.根据权利要求1所述的耦合数值模拟方法，其特征在于，所述的近区模型是Corjet模型，远区模型是Delft3D三维水动力模型。
3.根据权利要求2所述的耦合数值模拟方法，其特征在于，所述的远区模型的求解时间步长取为15秒，近区模型的调用时间间隔为5分钟。
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