CN113901557A - 一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法，包括：构建核电厂取水明渠三维数学模型；取水明渠内外流场的分析；构建取水明渠生物及杂物投放模拟数学模型；取水明渠生物及杂物取水卷吸率分析；不同结构的取水明渠取水卷吸率的综合分析。本发明针对核电厂取水明渠结构，根据取水工程水域流速、流向、地形、岸线等环境特征，充分利用了取水明渠结构内外的流场特点，分析了降低取水对生物及杂物卷吸作用，提高取水安全性。本发明所述方法提出了取水工程水域取水明渠内、外流场分布特征及取水卷吸率，为降低明渠的取水卷吸影响提供依据。

Description

一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法，是一种用于水工计算和设计的分析方法，是一种用于降低电厂取水卷吸率的明渠分析方法，是一种充分利用取水明渠结构造成特征水动力条件以减少生物及杂物随流进入取水系统的明渠设计分析方法。

背景技术

核电厂通过取水系统获取核反应堆及重要设备的冷却水是核电厂安全运行的关键要素，一旦取水系统堵塞，将可能导致机组被迫降功率或停堆停机，严重时甚至引发核安全事故，造成无法挽回的损失。

随着河流和海洋环境变化，局部生态异常，水生物大规模聚集堵塞核电厂冷却水取水系统的事件频繁发生，严重威胁了核电安全稳定经济运行。对于有效的减少水生物或杂物对核电取水安全的影响，取水明渠结构的设计至关重要。明渠取水形式是最为常见也是应用最广的取水方式。目前，取水明渠的设计主要考虑防止泥沙淤积等，没有考虑水生物或杂物对取水的影响，在取水明渠的布设方面没有基于降低生物及杂物取水卷吸率的规范或理论指导，且很少结合取水工程水域的水动力条件及明渠内外的水动力特征进行设计，无法从水动力的角度尽量减少水生物进入取水系统。因此，亟需开展电厂取水明渠分析研究，提出缓解核电取水对水生物卷吸影响的明渠分析方法。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法。所述的方法充分利用取水工程周缘水流条件、取水明渠内外流场特征及生物及杂物随流运动特点的，降低取水卷吸率的明渠布设分析。所述的方法利用不同形式明渠取水明渠造成的流场水力特征，提出了具有较低取水卷吸率的明渠分析方法，为指导电厂取水明渠的设计及电厂安全、生态运行提供依据。

本发明的目的是这样实现的：一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法，所针对的取水明渠的形式为：与水流方向垂直或接近垂直的明渠渠道，所述的渠道进口设有导流堤，所述方法的步骤如下：

步骤1，构建核电厂取水明渠三维数学模型：三维数学模型的构建按照电厂取水工程周围环境条件设置环境流流速、流向及地形、岸线条件，初步拟定的明渠设计尺寸构建模拟明渠渠道，取水流速、取水水深，根据明渠所在环境流模拟及明渠渠道内水流模拟，获取明渠内、外流场特征；

模型的控制方程如下：

其中：u为时均速度，t为时间，p为压力，ρ为密度，μ_eff为湍动有效粘度，k为湍动能，Ι为二阶单位张量，α_κ为湍动能普朗特数，ε为湍动耗散率，α_ε为湍动耗散率普朗特数，G_κ为平均速度梯度引起的湍动能产生项，C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68。对于近壁区流动，采用增强型壁面函数(Enhanced wall equation)进行模拟；

步骤2，取水明渠内外流场的分析：取水明渠外，环境水流主要受到突出岸侧的取水明渠阻隔作用影响，水流主流方向逐渐向取水明渠外侧水域发生偏移，在明渠迎流面近岸处形成局部回流区；至明渠附近，受明渠结构影响，主流方向持续偏转；在主流进入明渠背流面后，在明渠背流面靠近明渠处形成明显回流区；取水明渠内，水流受明渠结构影响，流速在横向上进行重新分配，取水进口附近主流区贴近右岸，在明渠左侧下游区域形成较大范围的回流区；

步骤3，构建取水明渠生物及杂物投放模拟数学模型：取水环境中的生物和杂物容易受到取水汇流作用的影响进入取水明渠，进而影响取水安全，影响取水的多为藻类、毛虾、水母，以及没有主动游动能力或具有较弱游动能力的生物和生活垃圾、杂物，其平均密度与水体的密度相近，在水体中各水深均有一定的分布；生物及杂物投放模拟数学模型的构建，按照生物及杂物的特征及在水中所处的位置设置其生物近似密度、在水体中所处的初始位置，包括：水平位置，所处水深，根据水流对生物及杂物的运动轨迹模拟，获得不同初始位置的生物及杂物在取水水流挟带作用下的迁移过程及位置；

以示踪粒子法进行迁移规律模拟，将生物及杂物概化为直径为0.01m、密度近似为1g/cm³的球体，球体密度与水流密度一致；生物运动迁移轨迹模拟控制方程如下：

其中：x为生物运动位移，u_p为生物运动速度，τ_r为生物游动松驰时间，g为重力加速度，ρ_p为生物密度。τ_r由下式进行计算：

其中：C_d为生物阻力系数，d_p为生物特征长度，Re为基于生物特征长度的雷诺数；

步骤4，取水明渠生物及杂物取水卷吸率分析：基于取水明渠流场的分析及生物及杂物投放模拟数学模型的计算结果，分析得到对应环境水流和取水明渠结构设计方案下，电厂取水运行时受到取水汇流作用影响的生物及杂物的取水卷吸率及不同水深情况下生物及杂物取水卷吸率变化曲线；

步骤5，不同结构的取水明渠取水卷吸率的综合分析：根据工程水域环境水流特点、取水明渠结构特点、生物及杂物的主要来源及迁移分布特点，分析明渠取水对生物及杂物的卷吸，基于取水整体流场特点及生物及杂物迁移特点，比较取水卷吸率的大小，选择较小取水卷吸率的取水明渠结构，包括：明渠长度、宽度、深度、导流堤的形式和长度。

本发明的优点和有益效果是：本发明针对核电厂取水明渠结构，根据取水工程水域流速、流向、地形、岸线等环境特征，充分利用了取水明渠结构内外的流场特点，分析了降低取水对生物及杂物卷吸作用，提高取水安全性。本发明所述方法提出了取水工程水域取水明渠内、外流场分布特征及取水卷吸率，为降低明渠的取水卷吸影响提供依据。

本发明根据不同流速、流向、地形、岸线等环境流条件，以降低取水卷吸率为约束条件，选择相应的取水明渠结构、离岸距离、取水口门方向，以及取水流速、取水水深等取水条件，取水卷吸率不尽相同，均可以通过所述方法计算分析获得。

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是直明渠(0度导流堤)的取水明渠结构示意图；

图2是45度导流堤的取水明渠结构示意图；

图3是90度导流堤的取水明渠结构示意图；

图4是135度导流堤的取水明渠结构示意图；

图5是180度导流堤的取水明渠结构示意图；

图6是90度转弯前单侧设直段导流堤的取水明渠结构示意图；

图7是90度转弯前双侧设直段导流堤的取水明渠结构示意图；

图8是本发明实施例所述方法的生物粒子表层投放示意图；

图9是本发明实施例所述方法的0度导流堤单向流取水卷吸率随投放水深变化图；

图10是本发明实施例所述方法在河道中的90度导流堤取水卷吸率随投放水深变化图；

图11是本发明实施例所述方法在涨潮时滨海多个角度的导流堤取水卷吸率随投放水深变化图；

图12是本发明实施例所述方法在落潮时滨海多个角度的导流堤取水卷吸率随投放水深变化图；

图13是本发明实施例所述方法的涨潮时滨海取水卷吸率与明渠导流堤角度的关系曲线；

图14是本发明实施例所述方法的落潮时滨海取水卷吸率与明渠导流堤角度的关系曲线；

图15是本发明实施例所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法，所针对的取水明渠的形式为：与水流方向垂直或接近垂直的明渠渠道，所述的渠道进口设有导流堤。导流堤有多种形式，如图1-7所示的是转弯的导流堤形式。渠道进水口处的导流堤的转弯形式有多种，如转弯形式按转弯的角度α可以分为45度、90度、135度、180度(见图2-5)，以及90度转弯的单侧或两侧设导流堤(见图6、图7)，当进口处不设转弯的导流堤时，如图1所示，可以认为是导流堤的转弯角度为0度的特殊形式。还可以列举更多的进口导流堤的形式，本实施例不再列举。选取导流堤的形式也是本实施例所述方法要完成的明渠设计方案要点之一。明渠进口处的水流有两种状况，一种是单方向流动，如设置在河流中的取水明渠，水流从河流上游流向下游，另一种是往复流动的水流，如设置在沿海地区的取水明渠，水流呈现涨潮和落潮的往复流动。图1中用虚线表达河流两岸中的一端河岸，以作为河道进行分析，流场是单向流，作为滨海水域分析时则忽略虚线所表达的河岸，仅作为单侧海岸的滨海水域考虑。环境流则是河道为单向流，滨海水域为涨落潮下的往复流。图1中L为明渠延伸入河道河岸或滨海海岸线之外的长度，b为明渠的宽度，h为河道的宽度，当明渠处于海岸线或河道的宽度超过明渠的宽度50倍时，h的长度可以认为是无穷大。

以下为两种水流情况下的取水明渠的卷吸率分析。

一、单方向水流(河道的分析)：

本实施例是单向河流中低取水卷吸率的明渠设计方法。河道流速不同、河道地形不同、明渠设计型式和尺寸不同的情况下本方法均适用。

本实施例采用明渠三维数学模型和生物及杂物投放模拟数学模型研究明渠内外流场特征及相应取水明渠结构的生物及杂物取水卷吸率。根据案例，确定环境水流流速、流向、地形及生物及杂物来源，明渠结构特征(包括明确明渠的设计长度、宽度等尺寸)及运行情况(电厂取水流量、取水流速及取水水深)，构建取水明渠三维数学模型，模拟明渠内外水流，确定流场分布特征，通过生物及杂物投放模拟数学模型开展生物的迁移规律研究，综合分析得出取水明渠结构对应的生物及杂物取水卷吸率，为尽量减缓电厂明渠取水对生物和环境的影响，保障电厂取水安全提供依据。

步骤1，构建核电厂取水明渠三维数学模型：三维数学模型的构建包括：按照河流河宽、流速构建模拟取水明渠外部取水区域，根据外部环境流模拟获得明渠外流场特征；按照明渠设计尺寸构建模拟明渠渠道，根据渠道形状获取明渠内流场特征。

可以采用通用三维计算流体力学软件Ansys Fluent开展取水明渠三维数值模拟。Fluent可以进行计算网格的划分，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等；并拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。Fluent三维计算采用基于有限体积法的差分方法，能够提供非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法。软件包含丰富而先进的物理模型，能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-e模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和VOF模型等，另外还可以根据模拟需求自行定义和添加湍流模型。模拟取水明渠内、外流场可采用Fluent三维湍流模拟可选择RNG k-e湍流模型。

Fluent软件是当前使用最多、最流行的计算流体力学软件之一，具有丰富的计算模型、先进的数值方法和强大的后处理功能，在火、核电取排水工程领域有着广泛应用。同时，RNG k-e模型作为一种成熟的湍流模型，广泛应用于模拟旋转流，弯道流以及分离流等复杂水动力过程。

模型的控制方程如下：

其中：u为时均速度，t为时间，p为压力，ρ为密度，μ_eff为湍动有效粘度，k为湍动能，Ι为二阶单位张量，α_κ为湍动能普朗特数，ε为湍动耗散率，α_ε为湍动耗散率普朗特数，G_κ为平均速度梯度引起的湍动能产生项，C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68。对于近壁区流动，采用增强型壁面函数(Enhanced wall equation)进行模拟；

应用实例：

河流平均河宽500m，平均水深10m，河流平均流速为0.3m/s，水流流向平行于河岸，河岸建立电厂，从河道中取水供电厂运行时机组及重要设备冷却使用，取水量为100m³/s，取水明渠直堤长度为200m，宽度为40m，取水水深(与河道水深相同)10m，取水明渠平均流速0.25m/s，取水明渠延伸入河道方向垂直于岸线，如图1所示。取水明渠前端可根据生物及杂物来源设置不同形式的导流堤，如：在直明渠前端设置规则导流堤(导流堤弧度为90度，半径为明渠渠宽)，如图3所示；另一种是直明渠前端设置不规则导流堤(导流堤弧度大于或小于90度，半径大于或小于明渠渠宽)，即在转弯前的导流堤一侧设置直段导流堤，如图6所示；还有一种是在转弯前的导流堤两侧都设置了导流堤，两侧的导流堤设置形式可以相同，也可以不相同，如图7所示。图1-图7这几种取水明渠尽管形式有所不同，明渠内流场特性相似，本实施例所述方法均能够适用。

步骤2，取水明渠内外流场的分析：

以图1的直明渠取水及图3的具有90度导流堤的取水明渠为例，依据三维数学模型模拟成果开展不同取水明渠结构下流场特点分析：

图1直明渠取水的流场：

(1)明渠外流场：河道均匀来流，水流方向与明渠进流方向垂直，受取水明渠直堤阻挡作用，明渠两侧(迎流面及背流面)均出现明显回流区，并且背流区域回流区的范围相对较大。

(2)明渠内流场：受取水汇流作用影响，明渠取水口门处进流分布不均匀，受取水明渠直堤约束影响，水流进入明渠后以折冲形态前行，取水明渠在靠近来流直段的进口方向存在小尺度的回流，随着明渠直堤的不断延长，回流区逐渐减小，主流区逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明，不同水深明渠内外流场分布近似，取水明渠内流场随水深增加逐渐向取水明渠右侧(以取水进流方向计)偏移；取水明渠内存在较强漩涡。

图3设有90°导流堤的取水明渠的流场：

(1)明渠外流场：受取水明渠入口外侧弧型导流堤挑流作用影响，河道上游来流不会直接进入取水口，取水口门前缘水域存在大范围的回流区。

(2)明渠内流场：明渠口门处入流特征受明渠导流堤以及取水汇流作用等影响，明渠口门附近及取水明渠内流态较为复杂：“短边堤”下游侧形成了明显的回流区，受“短边堤”堤头挑流及取水汇流影响，主流由凸岸向凹岸逐渐偏移，经过圆弧导流堤调整后，至明渠直段入口端，主流流向逐渐向右侧偏转，在弯道下游的顺直渠道中，主流区逐渐转移至靠近凹岸的区域，随着渠道的延长，主流逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明：不同水深流场分布近似，基本特征一致，水体表层回流区范围较之中、底层略大。

步骤3，构建取水明渠生物及杂物投放模拟数学模型：

采用数学模型模拟生物及杂物的投放、迁移、聚集过程时，暂不考虑模拟生物及杂物与水流间的相对运动，将物项视为粒子，计算时只考虑生物及杂物受水流的挟带作用，不考虑生物的形状、自身游动对迁移的影响。

生物及杂物粒子投放数量：本项研究粒子投放数量的选取原则为：在保证粒子投放数量对取水卷吸率等特征参数影响不再敏感基础上，选取适当数量的投放粒子，以兼顾成果可靠性与计算工作量适宜性的要求。据此原则，通过对投放粒子数量n₀进行敏感性试算分析，最终选定各水层粒子投放数量为1000个。

生物投放断面位置的选取原则：生物投放断面位置始终处于环境来流方向的上游，如单向流河道中，投放断面为距离明渠一定距离的河道上游，并保证该投放断面处环境流不受取水构筑物的影响。投放断面宽度的选取原则：保证该断面处投放水生物(粒子)能够覆盖取水构筑物卷吸影响范围。

生物及杂物粒子投放可以采用多种方式：①表层投放：表层均匀一次性投放，投放粒子数量为1000个(投放示意见图8)；②中层投放：中层均匀一次性投放，投放数量1000个；③底层投放：底层均匀一次性投放，投放数量1000个；④全断面投放：全断面均匀(按照水深等间隔)一次性投放，各层投放数量均为1000个。投放如图8所示，图中H为投放深度，B为离岸方向上的投放宽度，X₀为投放位置距明渠迎流面距离。本实例中，某一水深H投放粒子时，投放的1000个粒子在水深为H，投放宽度为B的一条线上均匀分布，该投放线距离明渠迎流面的距离为X₀。

采用示踪粒子法进行生物及杂物粒子的迁移轨迹模拟，将生物及杂物概化为直径为0.01m、密度近似为1g/cm³的球体(密度与水流密度一致)。生物运动迁移轨迹模拟控制方程如下：

其中：x为生物运动位移，u_p为生物运动速度，τ_r为生物游动松驰时间，g为重力加速度，ρ_p为生物密度。τ_r由下式进行计算：

其中：C_d为生物阻力系数，d_p为生物特征长度，Re为基于生物特征长度的雷诺数。

以图1的直明渠及图3的具有90度导流堤的取水明渠为例，依据取水明渠生物及杂物投放模拟数学模型的模拟成果开展不同取水明渠结构下生物迁移轨迹。

在图1的直明渠取水条件下生物及杂物迁移轨迹：生物等间距均匀投放，投放初期，生物均匀随流迁移，当生物迁移至取水明渠前缘时，受取水明渠外部流场流向偏转的影响，近岸处生物的迁移角度发生偏转，迁移角度的偏转幅度随着生物离岸的距离增加而逐渐减小；当生物迁移至取水明渠处，部分生物受取水汇流作用的影响迁移至取水明渠内部，进入明渠后的少部分生物在明渠内水流影响下进入回流区，多数生物沿明渠内主流区逐渐向明渠中心聚集；没有进入明渠的生物进一步随水流向下游迁移。

三维模拟结果表明：初始投放在不同水深的生物迁移轨迹分布特征基本一致，但受取水卷吸进入明渠内部的生物逐渐随投放水深的增加而呈现减少的趋势。

设有90度导流堤(图3)的明渠取水条件下生物及杂物迁移轨迹：生物等间距均匀投放，投放初期，生物均匀随流迁移，当生物迁移至取水明渠前缘时，受取水明渠结构挑流作用影响，靠近明渠导流堤圆弧段生物运动迁移轨迹向离岸方向偏转；生物随流迁移至取水明渠口门处，少数生物受取水汇流作用的影响直接迁移至明渠内部，部分生物因受明渠背流面涡旋分布影响，回流只取水明渠内部，进入明渠后的生物多数沿明渠内主流区逐渐向明渠中心聚集。

步骤4，取水明渠生物及杂物取水卷吸率分析：基于取水明渠流场的分析及生物及杂物投放模拟数学模型的计算结果，分析得到不同取水明渠结构设计方案下电厂取水运行时受到取水汇流作用影响的生物及杂物的取水卷吸率。

设有0度导流堤(没有转弯段，见图1)的直明渠取水条件下生物及杂物取水卷吸率：

卷吸率：在取水上游水域某一断面(垂直于岸线方向)投放若干已知粒子量N_o，统计随流输运到取水水域并被卷入明渠取水口的粒子个数N_in，从而得到粒子卷吸率P＝N_in/N_o。

生物粒子投放方式	卷吸率(％)
		水体表层(2m水深处)投放	13.0
水体中层(5m水深处)投放	7.1
		水体底层(8m水深处)投放	1.0
全断面投放	7.1

取水卷吸率随投放水深变化图如图9所示。

卷吸率计算结果表明：生物受取水汇流及取水明渠结构的共同影响，全断面投放方式下，取水卷吸率为7.1％。相同环境流及取水条件下，表层、中层及底层取水卷吸率相差明显，表层＞中层＞底层。取水卷吸率随投放水深的变化而改变，越接近水体表层(即投放水深越浅)取水卷吸率越大。

设有90度导流堤(见图3)的明渠取水条件下生物及杂物取水卷吸率：

生物粒子投放方式	卷吸率(％)
		水体表层(2m水深处)投放	5.1
水体中层(5m水深处)投放	5.0
		水体底层(8m水深处)投放	2.0
全断面投放	4.7

取水卷吸率随投放水深变化图如图10所示。

卷吸率计算结果表明：生物受取水汇流作用和导流堤取水结构的共同影响，全断面投放时取水卷吸率为4.7％。相同环境流及取水条件下，表层与中层取水卷吸率相近，底层受取水卷吸影响相对较小。取水卷吸率随投放水深的变化而改变，接近水体表层取水卷吸率相对越大，但仍然维持在较低水平。

步骤5，不同结构的取水明渠取水卷吸率的综合分析。

根据工程水域环境水流特点、取水明渠结构特点、生物及杂物的主要来源及迁移轨迹特点，综合分析明渠取水对生物及杂物的卷吸影响，基于低卷吸率提出该取水工程水域适宜的取水明渠设计形式。

取水工程水域环境流特点：河道内从上游向下游单向流动。

取水明渠结构特点：图1与图3结构差异主要在明渠前端的导流堤设置。

取水明渠流场特点：不同结构取水明渠的流场分布差异主要在明渠前端的导流堤周缘，由于图3中90度转弯导流堤的设置，将环境来流挑离取水区域，使得环境主流在此发生了明显的流向偏转。

生物及杂物来源特点：由于河道中环境流单向流动，生物及杂物来源较为稳定，基本均随上游来流向下游迁移。

生物及杂物迁移特点：与图1无导流堤的取水明渠情况下生物迁移轨迹相比，图3中迁移至取水明渠内部的生物多受明渠背流面漩涡回流卷吸影响，因此，进入明渠的生物量大幅度降低。

综上所述，该种取水环境条件下河道单向流环境中，取水卷吸率较小的90度转弯导流堤(见图1)取水明渠结构更适用，对提高电厂取水安全性有积极作用。

其中，若改变导流堤角度，或在双边均设置导流堤，如图6、7的明渠结构形式都可以通过该方法计算分析获得。

二、往复流情况下(滨海电厂取水明渠的分析)：

本例是潮流环境中低取水卷吸率的明渠设计方法。潮流流速和流向不同、环境地形不同、明渠设计结构型式和尺寸不同的情况下本方法均适用。

本实施例采用明渠三维数学模型和生物及杂物投放模拟数学模型研究明渠内外流场特征及相应取水明渠结构的生物及杂物取水卷吸率。根据案例，确定环境水流流速、流向、地形及生物及杂物来源，明渠结构特征(包括明确设计长、宽等尺寸)及运行情况(电厂取水流量、取水流速及取水水深)，构建取水明渠三维数学模型，模拟明渠内外水流，确定流场分布特征，通过生物及杂物投放模拟数学模型开展生物的迁移规律研究，综合分析得出取水明渠结构对应的生物及杂物取水卷吸率，为尽量减缓电厂明渠取水对生物和环境的影响，保障电厂取水安全提供依据。

步骤1，构建核电厂取水明渠三维数学模型：三维数学模型的构建包括：按照取水工程海域涨潮、落潮流速构建模拟取水明渠外部取水海域，根据外部环境流模拟获得明渠外流场特征；按照明渠设计尺寸构建模拟明渠渠道，根据渠道形状获取明渠内流场特征。

应用实例举例：

海域环境流情况：环境流速0.3m/s，环境流向：沿岸往复流(涨落潮方向均平行于岸线)，平均水深10m。

从海域中取水供电厂运行时机组及重要设备冷却使用，取水量为100m³/s，取水明渠直堤长度为200m，宽度为40m，取水水深(与海域水深相同)10m，取水明渠平均流速0.25m/s，取水明渠延伸入海域方向垂直于岸线。

取水明渠前端可设置不同形式的导流堤，如：在直明渠前端设置45度导流堤(导流堤弧度为45度，半径为明渠渠宽)，如图2所示；在直明渠前端可分别设置90°、135°、180°导流堤(导流堤半径为明渠渠宽)，如图3-图5所示。

若潮流流速、流向变化、环境地形变化、明渠设计形式和尺寸变化的情况下本方法均适用。

步骤2，取水明渠内外流场的分析：

以图1的直明渠(转弯角度为0)及图2-图5具有不同转弯角度导流堤的取水明渠为例，依据三维数学模型模拟成果开展不同取水明渠结构下流场特点分析：

为方便描述流场变化情况，将往复环境称为“涨潮”、“落潮”。

以下为不同明渠转弯角度的流场特点分析：

1.直明渠(转弯角度为0度，见图1)结构下，由于涨潮和落潮，潮流流速一样，潮流流向均平行于岸线，环境流在涨潮和落潮情况下，明渠内外部流场特性呈现镜像对称，即不同环境来流方向取水明渠内外流场特性相同，因此，只需计算涨潮或者落潮情况下明渠内外流场的分布。

直明渠取水的明渠内外流场：

(1)明渠外流场：涨潮流均匀来流，水流方向与明渠进流方向垂直，受取水明渠直堤阻挡作用，明渠两侧(迎流面及背流面)均出现明显回流区，并且背流区域回流区的范围相对较大。

(2)明渠内流场：受取水汇流作用影响，明渠取水口门处进流分布不均匀，受取水明渠直堤约束影响，水流进入明渠后以折冲形态前行，取水明渠在靠近来流直段的进口方向存在小尺度的回流，随着明渠直堤的不断延长，回流区逐渐减小，主流区逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明，不同水深明渠内外流场分布近似，取水明渠内流场随水深增加逐渐向取水明渠右侧(以取水进流方向计)偏移；取水明渠内存在较强漩涡。

2.45度导流堤(见图2)的取水明渠涨潮情况下明渠内外流场：

(1)明渠外流场：环境流受到突出岸侧的取水明渠影响，主流逐渐向外水域偏转，在明渠迎流面和背流面均形成了回流区，明渠导流堤堤头附近挑流，堤头背流面形成小范围回流。

(2)明渠内流场：明渠取水口进流分布不均，主流逐渐向圆弧导流堤侧偏转，水流经过导流堤束缚进入明渠直段后，主流持续向右岸集中，流速增加，明渠左岸附近形成了明显的回流区。随着明渠直段的不断延长，主流区逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明，流场的分布基本一致，不同水深处，回流区的范围有一定差异。

3.设有45度导流堤(见图2)的取水明渠落潮情况下明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受取水明渠入口外侧弧型导流堤挑流作用影响，落潮流靠近明渠时，流向向外水域偏转，环境来流不会直接进入取水口，在绕过明渠后形成了较大范围的回流。

(2)明渠内流场：环境流受到取水汇流作用影响，回流至明渠内，在明渠口门处分布复杂，受到圆弧型导流堤约束作用，主流方向由靠近短堤段逐渐向导流堤段偏转，经过导流堤调整后，至明渠直段入口端，主流流向逐渐向右侧偏转，明渠左侧存在明显回流区，在弯道下游的顺直渠道中，随着渠道的延长，主流逐渐由右侧向明渠中心调整。明渠直段的基本流态与涨潮情况相近。

主流方向由靠近短堤段调整为靠近圆弧段

三维模拟结果表明：不同水深流场分布近似，基本特征一致，水体表层回流区范围较之中、底层略大。

4.设有90度导流堤(见图3)的取水明渠涨潮情况下明渠内外流场：

(1)明渠外流场：环境流均匀来流，受到突出岸侧的取水明渠影响，主流方向逐渐向取水明渠外侧水域偏移，在明渠迎流面近岸处形成局部回流区。至明渠导流堤附近，受堤头挑流作用影响，其主流方向持续向外侧偏转。在主流绕过导流堤进入明渠背流面后，在明渠背流面后形成明显回流区。

(2)明渠内流场：明渠口门处入流特征受明渠导流堤以及取水汇流作用等影响，明渠口门附近及取水明渠内流态较为复杂：“短边堤”下游侧形成了明显的回流区，受“短边堤”堤头挑流及取水汇流影响，主流由凸岸向凹岸逐渐偏移，经过圆弧导流堤调整后，至明渠直段入口端，主流流向逐渐向右侧偏转，在弯道下游的顺直渠道中，主流区逐渐转移至靠近凹岸的区域，随着渠道的延长，主流逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明：不同水深流场分布近似，基本特征一致，水体表层回流区范围较之中、底层略大。

5.设有90度导流堤(见图3)的取水明渠落潮情况下明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受取水明渠入口外侧弧型导流堤挑流作用影响，落潮来流不会直接进入取水口，取水口门前缘水域存在大范围的回流区。

(2)明渠内流场：明渠口门处入流特征受明渠导流堤以及取水汇流作用等影响，明渠口门附近及取水明渠内流态较为复杂：“短边堤”下游侧形成了明显的回流区，受“短边堤”堤头挑流及取水汇流影响，主流逐渐偏移，经过圆弧导流堤调整后，至明渠直段入口端，主流流向逐渐向右侧偏转，在弯道下游的顺直渠道中，随着渠道的延长，主流逐渐向明渠中心调整。

三维模拟结果表明：不同水深流场分布近似，基本特征一致，水体表层回流区范围较之中、底层略大。

6.设有135度导流堤(见图4)的取水明渠涨潮的明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受明渠阻隔作用影响，涨潮流在靠近明渠附近，流向向外水域偏转，明渠迎流面和背流面均形成不同尺度的漩涡，受到明渠导流堤挑流影响，潮流主流进一步向外水域方向偏转。

(2)明渠内流场：涨潮流进入明渠后，经过圆弧型导流堤的调整，流速在横向上进行了重新分配，主流方向由靠近短堤段调整为靠近圆弧段，直明渠段主流靠近明渠右侧，左侧存在明显回流区。

7.设有135度导流堤(见图4)的取水明渠落潮的明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受取水明渠入口外侧弧型导流堤挑流作用影响，落潮来流不会直接进入取水口，取水口门前缘水域存在不同尺度回流区。

(2)明渠内流场：环境流进入明渠后，导流堤附近的流场较为复杂，主流由短堤侧逐渐偏向圆弧段，通过导流堤的调整后，至明渠直段入口端，主流流向逐渐向右侧偏转，在弯道下游的顺直渠道中，随着渠道的延长，主流逐渐向明渠中心调整。

8.图5设有180度导流堤(见图5)的取水明渠涨潮的明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受明渠阻挡影响，在明渠迎流面近岸区形成回流，环境流受到圆弧导流堤阻挡及挑流作用，在导流堤堤头迎流侧流速增加，流向持续向外水域偏转，绕过导流堤后，在明渠背流面形成不同尺度的漩涡。

(2)明渠内流场：环境流受取水卷吸及圆弧导流堤阻隔的影响，进入明渠的水流在圆弧导流堤内侧形成小范围漩涡，主流通过导流堤的调整后，至明渠直段，主流流向逐渐向右侧集中，随着直渠道的调整，主流逐渐向明渠中心分布。

9.设有180度导流堤(见图5)的取水明渠落潮的明渠内外流场：

(1)明渠外流场：受明渠阻挡影响，在明渠两侧近岸区形成了不同尺度的回流，在明渠背流面存在较大区域的回流区。

(2)明渠内流场：环境流受取水卷吸及圆弧导流堤阻隔的影响，进入明渠的水流在圆弧导流堤内侧口门附近形成小范围漩涡，主流通过导流堤的调整后，至明渠直段，主流流向逐渐向右侧集中，随着直渠道的调整，主流逐渐向明渠中心分布。

步骤3，构建取水明渠生物及杂物投放数学模型：

取水环境中的水生物形态、大小、游动能力存在显著差异。容易受到取水卷吸影响进入明渠产生堵塞风险的多为藻类、毛虾、水母等无游泳能力或弱游泳能力的水生物，且密度与环境水体的密度相近，主要分布于水体中上层，在水体的中层及底层也有一定的分布。

采用数学模型模拟生物及杂物的投放、迁移、聚集过程时，暂不考虑模拟生物及杂物与水流间的相对运动，将物项视为粒子，计算时只考虑生物及杂物受水流的挟带作用，不考虑水生物的形状、自身游动对迁移的影响。

生物及杂物粒子投放数量：本项研究粒子投放数量的选取原则为：在保证粒子投放数量对取水卷吸率等特征参数影响不再敏感基础上，选取适当数量的投放粒子，以兼顾成果可靠性与计算工作量适宜性的要求。据此原则，通过对投放粒子数量n₀进行敏感性试算分析，最终选定各水层粒子投放数量为1000个。

水生物投放断面位置的选取原则：生物投放断面位置始终处于环境来流方向的上游，如往复流环境中，涨潮情况下，投放断面为距离明渠来流方向一定距离的上游断面，落潮情况下，投放断面位置相对涨潮情况下，距离明渠距离相等，位置为镜像对称，并保证该断面处环境来流不受取水构筑物的影响。投放断面宽度的选取原则：保证该断面处投放水生物(粒子)能够覆盖取水构筑物卷吸影响范围。

生物及杂物粒子投放可以采用多种方式：①表层投放：表层均匀一次性投放，投放粒子数量为1000个；②中层投放：中层均匀一次性投放，投放数量1000个；③底层投放：底层均匀一次性投放，投放数量1000个；④全断面投放：全断面均匀(按照水深等间隔)一次性投放，各层投放数量均为1000个。

生物运动迁移轨迹模拟控制方程如下：

其中：x为生物运动位移，u_p为生物运动速度，τ_r为生物游动松驰时间，g为重力加速度，ρ_p为生物密度。τ_r由下式进行计算：

其中：C_d为生物阻力系数，d_p为生物特征长度，Re为基于生物特征长度的雷诺数。

步骤4，取水明渠生物及杂物取水卷吸率分析：基于生物及杂物投放模拟数学模型的计算结果，提出不同取水明渠结构设计方案下，电厂取水运行时，受到取水汇流作用影响的生物及杂物的取水卷吸率。

明渠卷吸率统计表：

取水卷吸率随投放水深变化图：

涨潮时不同取水明渠结构情况下取水卷吸率随投放水深的变化情况见图11。

落潮时不同取水明渠结构情况下取水卷吸率随投放水深的变化情况见图12。

卷吸率计算结果表明：生物受取水汇流及取水明渠结构的共同影响，全断面投放方式下，取水卷吸率随着取水明渠结构不同发生变化。相同环境流及取水明渠结构及取水条件下，表层、中层及底层取水卷吸率相差明显，基本呈现表层＞中层＞底层的分布趋势。取水卷吸率随投放水深的变化而改变，越接近水体表层(即投放水深越浅)取水卷吸率越大。

步骤5，不同结构的取水明渠取水卷吸率的综合分析；

取水卷吸率与明渠导流堤角度的关系曲线如图13(涨潮)、图14(落潮)所示。

涨潮情况下，取水卷吸率随着取水明渠圆弧型导流堤的角度增加而提高，当角度＞90°后，继续增大圆弧型导流堤的角度对取水卷吸率的影响不显著；落潮情况下，取水卷吸率随着取水明渠圆弧型导流堤的角度增加而降低，当角度＞90°后，取水卷吸率随着取水明渠圆弧型导流堤的角度继续增大而增加。综合考虑涨落潮情况，在该种环境流及取水条件下，若水生物来源在涨潮和落潮时没有显著差异时，具有90度导流堤的取水明渠为该种情况下综合取水卷吸率较小的明渠设计；若水生物来源确定(如昌江核电厂，其建设在海边，涨潮方向上有一条入海河海携带了大量的生活垃圾等杂物及海生物，是昌江核电厂取水运行中影响其安全运行的主要海生物和杂物来源)，则背对主要来源，具有90度导流堤的取水明渠为该种情况下综合取水卷吸率较小的明渠设计。

本实施例所述的方法的流程如图15所示。

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(比如明渠的形式、数学模型的应用、各种公式的运用、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 (1)

1.一种基于降低取水卷吸效应的电厂取水明渠布设分析方法，所针对的取水明渠的形式为：与水流方向垂直或接近垂直的明渠渠道，所述的渠道进口设有导流堤，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，构建核电厂取水明渠三维数学模型：三维数学模型的构建按照电厂取水工程周围环境条件设置环境流流速、流向及地形、岸线条件，初步拟定的明渠设计尺寸构建模拟明渠渠道，取水流速、取水水深，根据明渠所在环境流模拟及明渠渠道内水流模拟，获取明渠内、外流场特征；

模型的控制方程如下：

其中：u为时均速度，t为时间，p为压力，ρ为密度，μ_eff为湍动有效粘度，k为湍动能，Ι为二阶单位张量，α_κ为湍动能普朗特数，ε为湍动耗散率，α_ε为湍动耗散率普朗特数，G_κ为平均速度梯度引起的湍动能产生项，C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68。对于近壁区流动，采用增强型壁面函数(Enhanced wall equation)进行模拟；

步骤2，取水明渠内外流场的分析：取水明渠外，环境水流主要受到突出岸侧的取水明渠阻隔作用影响，水流主流方向逐渐向取水明渠外侧水域发生偏移，在明渠迎流面近岸处形成局部回流区；至明渠附近，受明渠结构影响，主流方向持续偏转；在主流进入明渠背流面后，在明渠背流面靠近明渠处形成明显回流区；取水明渠内，水流受明渠结构影响，流速在横向上进行重新分配，取水进口附近主流区贴近右岸，在明渠左侧下游区域形成较大范围的回流区；

步骤3，构建取水明渠生物及杂物投放模拟数学模型：取水环境中的生物和杂物容易受到取水汇流作用的影响进入取水明渠，进而影响取水安全，影响取水的多为藻类、毛虾、水母，以及没有主动游动能力或具有较弱游动能力的水生物和生活垃圾、杂物，其平均密度与水体的密度相近，在水体中各水深均有一定的分布；生物及杂物投放模拟数学模型的构建，按照生物及杂物的特征及在水中所处的位置设置其生物近似密度、在水体中所处的初始位置，包括：水平位置，所处水深，根据水域对生物及杂物的运动轨迹模拟，获得不同初始位置的生物及杂物在取水水流挟带作用下的迁移过程及位置；

以示踪粒子法进行迁移规律模拟，将生物及杂物概化为直径为0.01m、密度近似为1g/cm³的球体，球体密度与水流密度一致；生物运动轨迹模拟控制方程如下：

其中：x为生物运动位移，u_p为生物运动速度，τ_r为生物游动松驰时间，g为重力加速度，ρ_p为生物密度。τ_r由下式进行计算：

其中：C_d为生物阻力系数，d_p为生物特征长度，Re为基于生物特征长度的雷诺数；

步骤4，取水明渠生物及杂物取水卷吸率分析：基于取水明渠流场的分析及生物及杂物投放模拟数学模型的计算结果，提出对应环境水流和取水明渠结构设计方案下，电厂取水运行时，受到取水汇流作用影响的生物即杂物的取水卷吸率及不同水深情况下，生物及杂物取水卷吸率变化曲线；

步骤5，不同结构的取水明渠取水卷吸率的综合分析：根据工程水域环境水流特点、取水明渠结构特点、生物及杂物的主要来源及迁移分布特点，分析明渠取水对生物及杂物的卷吸，基于取水整体流场特点及生物及杂物迁移特点，比较取水卷吸率的大小，选择较小取水卷吸率的取水明渠结构，包括：明渠长度、宽度、深度、导流堤的形式和长度。

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