濱?；?、核電廠溫排放數(shù)值模擬研究進(jìn)展

張長寬,姚 靜,陶建峰

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

濱?；?、核電廠溫排放數(shù)值模擬研究進(jìn)展

張長寬1,2,姚 靜1,2,陶建峰1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

回顧近年來國內(nèi)外濱海火、核電廠溫排放數(shù)值模擬研究的進(jìn)展,著重討論現(xiàn)有溫排放數(shù)值計(jì)算模型的發(fā)展以及存在的問題,主要包括溫排放系統(tǒng)模式的選取和模型邊界控制等。認(rèn)為三維數(shù)值模型在一定程度上代表溫排放數(shù)值模擬的發(fā)展方向,并應(yīng)考慮斜壓效應(yīng),且將水動(dòng)力場與物質(zhì)擴(kuò)散場耦合求解。

水環(huán)境;溫排放;熱污染;數(shù)值模擬

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國的火、核電力建設(shè)發(fā)展迅速。根據(jù)工藝流程的要求,火、核電廠必須連續(xù)不斷大量供應(yīng)機(jī)組冷卻水,同時(shí)向環(huán)境水體(湖泊、水庫、河流、海洋等天然水域)排放等量的超溫?zé)崴?即溫排放,超溫?zé)崴Q之為溫排水[1]。溫排水排入受納水體后,經(jīng)過摻混和擴(kuò)散,使得一定范圍內(nèi)的受納水體水溫高于自然水溫2～14℃,改變了原有水體的物理、化學(xué)性質(zhì)以及生態(tài)環(huán)境,使水生生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào),水生生物的生存受到威脅,水產(chǎn)資源受到破壞。另一方面,就火、核電廠自身而言,從天然水體中抽取的冷卻水溫度直接關(guān)系到機(jī)組的效率,炎熱季節(jié)冷卻水溫度每升高2℃,機(jī)組效率降低1%,當(dāng)水溫超過一定限度時(shí),還會(huì)形成水循環(huán)短路,影響發(fā)電機(jī)組的安全。因此,對(duì)火、核電廠溫排水在受納水域中的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行深入了解非常必要,進(jìn)行溫排水?dāng)U散研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,而且對(duì)防止受納水體熱污染、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋環(huán)境預(yù)測以及電廠選址和方案比選等都具有重要的實(shí)際意義。

影響濱?；?、核電廠溫排水時(shí)空分布的因素包括:溫排水流量、流速、初始溫度以及排放口附近海域動(dòng)力條件等。為方便起見,根據(jù)溫排水的物理特性和運(yùn)動(dòng)機(jī)理,人們從環(huán)境水力學(xué)角度將受納水域分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。溫排水排放口附近,受出流初始動(dòng)量的影響,溫排水與環(huán)境水體之間發(fā)生卷吸和劇烈摻混,同時(shí)受浮力作用,溫排水上浮。一般把受紊動(dòng)及浮力雙重控制的區(qū)域稱為近區(qū)。近區(qū)之外,隨著溫排水沿程擴(kuò)散和向大氣散熱,初始動(dòng)量和浮力衰減殆盡,以對(duì)流、擴(kuò)散作用為主,不受動(dòng)量、浮力影響,此區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)。在濱海水域,水下地形變化劇烈,水體流動(dòng)主要表現(xiàn)為非恒定性、非均勻性、斜壓性及其三維特征,其運(yùn)動(dòng)尺度在時(shí)空上相差甚大,決定了水動(dòng)力特征的區(qū)域異常可變性和隨機(jī)性。電廠溫排水使近岸天然水體中增加了溫度變量以及由溫差引起的浮力、傳質(zhì)、傳熱等各種效應(yīng)。由于有廣闊的受納條件,濱海電廠溫排水多采用深取淺排的直接排放方式,深層高鹽冷卻水經(jīng)過電廠機(jī)組后,高溫高鹽溫排水直接排放到海洋表層,并與周圍較冷海水混合,呈現(xiàn)出復(fù)雜的溫差密度分層和紊流流動(dòng)特性。溫差引起的浮力效應(yīng)、天然水體的復(fù)雜動(dòng)力條件以及密度層結(jié)效應(yīng)成為影響溫排水排放口近區(qū)流場的重要因素,這也使得濱海水域溫排水運(yùn)動(dòng)規(guī)律變得更為復(fù)雜。因此,適用于水動(dòng)力條件相對(duì)簡單的受納水體近、遠(yuǎn)區(qū)劃分概念已不再適用于濱海水域。為敘述方便,下文中將溫排水排放口附近溫升影響水域統(tǒng)稱為溫排水排放口近區(qū)。

溫排水以及由此引起的水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境變化研究已成為世界各國海洋環(huán)境學(xué)家十分關(guān)注的重要課題。國內(nèi)外海洋環(huán)境學(xué)家們從20世紀(jì)70年代開始就有關(guān)電廠溫排水對(duì)附近海域的影響進(jìn)行調(diào)查和研究。1984年聯(lián)合國海洋污染專家組(GESAMP)[2]對(duì)世界各國科學(xué)家前十幾年在該領(lǐng)域取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)。王麗霞等[3-4]從確定溫排水與環(huán)境水溫的變化關(guān)系出發(fā),詳細(xì)分析了多種影響海洋水溫變化的因素,并對(duì)近年來熱擴(kuò)散預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀做了回顧。蔣爽等[5]給出了近年來海水熱擴(kuò)散研究進(jìn)展的主要文獻(xiàn)目錄。20世紀(jì)中后期,電廠溫排水研究大多以數(shù)學(xué)模型解析解[6-9]和物理模型試驗(yàn)[10]為主。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,數(shù)值模型計(jì)算已成為電廠溫排水研究的重要手段。但因?yàn)闇嘏欧帕W(xué)機(jī)理的復(fù)雜性以及濱海動(dòng)力條件的復(fù)雜性,濱海溫排放數(shù)值模型仍處在發(fā)展過程中,筆者主要針對(duì)濱?；?、核電廠溫排放數(shù)值模型的發(fā)展進(jìn)行回顧和評(píng)述。

1 溫排放數(shù)值模型

描述溫排水運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的理論為時(shí)均化的N-S方程和溫度輸移擴(kuò)散方程,其控制方程有2種,即二維模型方程和三維模型方程。電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究起始于20世紀(jì)70年代中期,數(shù)值模型具有投資小、周期短且不存在物理模型中模型相似問題等優(yōu)越性。多年來人們系統(tǒng)地開展了溫排水輸移擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型研究,提出了多種較為實(shí)用、有效的理論模型和計(jì)算方法。但針對(duì)自然條件復(fù)雜的濱海水域,其模式選取、模型邊界控制等問題一直成為能否精確反映溫排水排放口近區(qū)溫升分布規(guī)律的關(guān)鍵。

1.1 紊流模式的選取

紊流模式能詮釋很多水動(dòng)力現(xiàn)象,諸如射流、異重流、浮力流和回流等。當(dāng)電廠溫排水的受納水域?yàn)樗畮?、湖泊、直流河段等天然水域時(shí),環(huán)境水體的動(dòng)力條件單一,溫排水主要受其初始動(dòng)量和浮力控制,在排放口附近形成紊流狀態(tài)。隨著動(dòng)量和浮力沿程衰減殆盡,溫排水隨環(huán)境水體運(yùn)移。在濱海水域,遠(yuǎn)離排放口不受溫排水初始動(dòng)量影響的水流仍表現(xiàn)為復(fù)雜的紊流狀態(tài)。因此,紊流模式的正確選取對(duì)數(shù)值模擬精度相當(dāng)重要。模擬溫排水運(yùn)動(dòng)的紊流模式主要有k-ε雙方程模式、雷諾應(yīng)力方程模式(DSM)和代數(shù)應(yīng)力模式(ASM)。

1.1.1k-ε雙方程模式

k-ε雙方程模式采用紊流動(dòng)能k和能量耗散率ε雙方程對(duì)時(shí)均化的N-S方程進(jìn)行封閉模擬,多年來已得到廣泛應(yīng)用。McGuirk等[11]較早用深度平均的k-ε雙方程模式模擬溫水側(cè)排問題,成功模擬了溫排水在明渠中的流場和溫升場,并能較好地處理回流區(qū),而后又發(fā)展了三維模式[12],用來模擬靜水中的溫排水。陽昌陸等[13]根據(jù)k-ε模型建立完全三維計(jì)算,超越了傳統(tǒng)的準(zhǔn)三維近似,成功地預(yù)測了重疊式取排水口的三維湍流流動(dòng)。

在工程實(shí)踐中,溫差引起的浮力作用不可忽視,浮力有助于形成穩(wěn)定的分層,對(duì)紊動(dòng)有抑制和削弱作用,運(yùn)用紊流模式時(shí)應(yīng)考慮浮力影響。由于浮力使紊流導(dǎo)熱減少的程度比使紊流黏性減少的程度更甚,Rodi[14]分別在k和ε方程中添加浮力源項(xiàng)以修正k-ε方程,對(duì)紊流Prandtl數(shù)采用Munk-Anderson公式[15]進(jìn)行進(jìn)一步的修正。倪浩清等[16]在動(dòng)量方程和k方程及ε方程中均引入浮力項(xiàng),同時(shí)假設(shè)溫躍層中熱交換系數(shù)與速度和溫度的垂向梯度有關(guān),提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)紊流Prandtl數(shù)加以修正,建立了浮力修正的k-ε模式,成功模擬了溫差異重流的溫躍層現(xiàn)象以及突擴(kuò)湍浮力回流問題,但經(jīng)多次檢驗(yàn)計(jì)算,ε方程中計(jì)及密度項(xiàng)的作用并不明顯。

浮力修正使得標(biāo)準(zhǔn)k-ε模式無法反映浮力作用這一問題得以解決,但針對(duì)參數(shù)的修正關(guān)系式往往具有一定的經(jīng)驗(yàn)性,缺乏通用性,對(duì)某些各向異性的紊動(dòng)特性依然無能為力。

1.1.2 雷諾應(yīng)力方程模式

雷諾應(yīng)力方程模式從各向異性的前提出發(fā),直接封閉求解雷諾應(yīng)力的輸運(yùn)方程,計(jì)算應(yīng)力分量。Pathak等[17]分別用雷諾應(yīng)力方程模式和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模式模擬垂直于橫向來流的熱射流,結(jié)果表明雷諾應(yīng)力方程模式的模擬效果要優(yōu)于k-ε模式的模擬效果。范麗麗等[18]采用考慮浮力的雷諾應(yīng)力紊流模式對(duì)不同長寬比的排放口進(jìn)行三維模擬,得到擴(kuò)散寬度和排放口的長寬比相關(guān)關(guān)系。從實(shí)際應(yīng)用角度來講,雷諾應(yīng)力方程模式雖然精度高,但十分復(fù)雜,計(jì)算量過于龐大,在工程實(shí)踐中難以普及。

1.1.3 代數(shù)應(yīng)力模式

代數(shù)應(yīng)力模式是雷諾應(yīng)力方程模式的一種簡化,保留了紊流各向異性的特征,但計(jì)算量比雷諾應(yīng)力方程模式大幅度減少,而精度比k-ε模式高,結(jié)合了前者的通用性和后者的經(jīng)濟(jì)性。倪浩清等[19]基于Rodi[14]提出的代數(shù)應(yīng)力模式,通過簡化,將部分源項(xiàng)人為地置入到擴(kuò)散項(xiàng)中進(jìn)行計(jì)算,建立了簡化的紊流代數(shù)應(yīng)力模式,較好地反映了溫排水各向異性的特性。江春波等[20]基于代數(shù)應(yīng)力模式,改進(jìn)了求解流場的變量分割解法和求解對(duì)流擴(kuò)散方程的流線迎風(fēng)有限元格式,模擬了明渠中的二次流及溫躍層。金海生等[21]用一個(gè)簡化的應(yīng)力代數(shù)模式,成功地模擬了同時(shí)存在溫度和鹽度梯度的密度分層流動(dòng),并用水槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果吻合良好。雖然代數(shù)應(yīng)力模式仍然存在收斂速度受限[22]的問題,但能夠較好地反映密度躍層這類各向異性的紊流流動(dòng)現(xiàn)象,特別是在分層流的流速、密度梯度不大時(shí),可給出精確的結(jié)果。因此,代數(shù)應(yīng)力模式是當(dāng)前較為實(shí)用的模式。

1.2 時(shí)均模型的選取

如前所述,描述溫排水運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的數(shù)值模型有二維模型和三維模型。在寬淺型水域,水體分層不明顯,二維模型基本上能夠反映出水流的水平運(yùn)動(dòng)規(guī)律和溫升分布,已在許多工程實(shí)際問題中取得一定效果[23-24]。河海大學(xué)[23]在大亞灣核電站的遠(yuǎn)區(qū)模擬中,為同時(shí)反映大洋潮波控制下的近區(qū)水力特性,首次通過嵌套耦合技術(shù)從大水域推算到局部水域。

溫排水與受納水體的摻混及傳熱過程是一個(gè)三維過程。在溫排水排放口附近水域,溫差引起的浮力效應(yīng)是影響溫排水排放口近區(qū)流場和溫升場的重要因素,濱海水域復(fù)雜的海底地形、潮汐動(dòng)力條件以及明顯的鹽度層結(jié)效應(yīng)亦使得水域的溫排水在環(huán)境水體中的擴(kuò)散過程異常復(fù)雜,二維模型難以反映出水流和溫排水的時(shí)空分布規(guī)律。要了解溫排水垂向水流特性和溫度分布,必須進(jìn)行三維模擬。黃平[25]建立了汕頭港三維溫排放對(duì)流擴(kuò)散模型,用特征差分法求解,并用水槽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。王麗霞等[26]根據(jù)一階湍封閉理論建立了三維熱擴(kuò)散預(yù)測模型,模型中引入了計(jì)算網(wǎng)格無法分辨的次網(wǎng)格能量密度,將均勻流體的湍黏性與局部能量聯(lián)系起來,使湍流黏性系數(shù)的模擬較一般擴(kuò)散模型更加精確。因此,三維數(shù)值模型在一定程度代表了溫排放數(shù)值模擬的發(fā)展方向。

現(xiàn)有的濱海三維溫排放數(shù)值模型中,控制方程大多采用Blumberg等[27]提出的基于靜水壓強(qiáng)假定和Boussinesq假定的三維水流動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原始方程組。模型將動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程組耦合求解,并考慮海水密度變化所引起的斜壓項(xiàng)。實(shí)際工程應(yīng)用中,人們?cè)趯?duì)流場及溫升場進(jìn)行模擬時(shí),大多先模擬水動(dòng)力場,然后在水動(dòng)力場模擬的基礎(chǔ)上模擬溫升場,并且忽略由密度差異引起的密度梯度和斜壓效應(yīng),即正壓模型。這對(duì)水庫、湖泊等水動(dòng)力場相對(duì)較弱、密度均勻的環(huán)境水體來說,其計(jì)算精度是可以接受的。但是,淡鹽水交匯的濱海水域,水動(dòng)力場非常復(fù)雜,鹽度在水平方向和垂向上的分布不均勻,使得環(huán)境水體產(chǎn)生斜壓效應(yīng),而溫排水和環(huán)境水體的溫差亦會(huì)產(chǎn)生密度分層。研究表明,0.4%鹽度差的等溫度海水所具有的密度差,大體上相當(dāng)于10℃溫差的等鹽度海水所產(chǎn)生的密度差。由此可知,鹽度差引起的密度差大幅度超過溫差引起的密度差。因而,對(duì)于深取淺排的電廠取、排水口布置方案而言,溫排水的垂向分布狀態(tài)受鹽度的垂向梯度影響很大,導(dǎo)致溫排水不一定只存在于水體上層,也有可能在水體下層[28]。因此,在三維溫排水模型中,考慮斜壓效應(yīng)尤為重要,且需要將水動(dòng)力場和物質(zhì)擴(kuò)散場耦合求解。

在實(shí)際應(yīng)用中,三維溫排水模型的許多計(jì)算參數(shù)的選取都與垂向坐標(biāo)系的選取直接相關(guān)。目前國內(nèi)外三維模型主要采用等平面(z)坐標(biāo)和地形擬合(σ)坐標(biāo),如國際上較為流行的 TRIM3D,POM,EFDC,DELFT-3D,FVCOM等。近年來,國內(nèi)已有多家科研單位引進(jìn)了這些模型和商業(yè)軟件進(jìn)行溫排水?dāng)?shù)值模擬研究,取得了一些成果[29-32]。但這些模型并不能很好地適用于地形變化劇烈、密度分層明顯的水域。陶建峰等[33]對(duì)三維水流數(shù)值模型中的多種垂向坐標(biāo)模式進(jìn)行了評(píng)述,同時(shí)指出,σ坐標(biāo)系下的三維模型在處理水平斜壓梯度力時(shí)會(huì)引入較大計(jì)算誤差,容易引起局部流態(tài)的失真。針對(duì)這一問題,陶建峰等[34]在垂向引入雙σ坐標(biāo)變換,對(duì)地形擬合坐標(biāo)系下的水平斜壓梯度力的計(jì)算誤差改進(jìn)進(jìn)行了嘗試。

1.3 模型邊界的處理

溫排放數(shù)值模型的邊界處理主要分為控制邊界處理和自由面散熱邊界處理2種。

1.3.1 控制邊界處理

控制邊界主要涉及2個(gè)方面,一是遠(yuǎn)區(qū)模型的外邊界控制,二是近區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)模型的耦合邊界。近區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)模型在運(yùn)用上簡單方便,但忽視了兩區(qū)之間的相互作用,近區(qū)模型往往忽略了遠(yuǎn)區(qū)回流的影響,而遠(yuǎn)區(qū)模型也無法精確反映排放口近區(qū)的特性。因此耦合模型和全場模型應(yīng)運(yùn)而生。

耦合模型是指在近區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)采用不同的模型,通過一定的方法將兩者連接、耦合。早期耦合模型往往在近區(qū)采用射流或浮射流積分模型,遠(yuǎn)區(qū)則采用淺水環(huán)流對(duì)流擴(kuò)散模型。Kaufman等[35]建立的耦合模型在近區(qū)采用S-H模型,遠(yuǎn)區(qū)采用二維有限元數(shù)學(xué)模型CAFE和DISPER,但網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長都較小,比較耗機(jī)時(shí),成本較高。Adams等[36]在其基礎(chǔ)上用潮汐海灣分析模型TEA代替CAFE模型計(jì)算二維水流,用歐拉-拉格朗日分析模型 ELA代替DISPER模型計(jì)算溫度場,成功地用于2座電廠的溫排放模擬。近區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)模型在范圍劃定上存在一定的困難,如何銜接也具有一定的難度,因而銜接方法的選取就變得十分關(guān)鍵。Zhang等[37]針對(duì)近、遠(yuǎn)區(qū)銜接方法做了很好地闡述。Zhang[38]用粒子追蹤法耦合近區(qū)RSB模型和遠(yuǎn)區(qū)ECOMSI模型,將粒子密度轉(zhuǎn)化為濃度,并考慮兩區(qū)之間的相互作用。Suh[39]用高斯puff算法耦合近區(qū)CORMIX模型和遠(yuǎn)區(qū)TEA模型以及ELA模型。Maderich等[40]用DESA法在近區(qū)拉格朗日積分模型JETLAG和遠(yuǎn)區(qū)THREETOX模型之間建立雙向水動(dòng)力連接。紀(jì)平等[41]采用湍射流模型計(jì)算近、遠(yuǎn)區(qū)交界上的速度值,同時(shí)將其作為遠(yuǎn)區(qū)二維淺水環(huán)流模型的邊界進(jìn)行耦合計(jì)算。

全場模型避免了分區(qū)模型帶來的劃分及銜接問題,使流場和溫升場的預(yù)測結(jié)果更為合理。20世紀(jì)90年代初,倪浩清等[42-43]通過引入考慮速度、溫度垂向分布不均勻性的流散系數(shù),建立深度平均的k-ε紊流全場模式,不僅模擬了大水域冷卻池,而且對(duì)室內(nèi)冷卻池的模擬效果也較好。梁書秀等[44-45]提出了深度平均的代數(shù)應(yīng)力全場模式,假設(shè)流體不可壓縮,且不考慮浮力、表面風(fēng)應(yīng)力及柯氏力作用,對(duì)明渠和潮汐水域的側(cè)排問題進(jìn)行模擬,與深度平均的k-ε紊流模式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,該模式優(yōu)勢顯著。Yu等[46]建立了深度平均的~k-~w模式,用3個(gè)溫排放算例進(jìn)行檢驗(yàn),并與深度平均的k-ε紊流模式比較,結(jié)果表明當(dāng)排放口尺寸相對(duì)較小或排放速度相對(duì)較小時(shí),前者要優(yōu)于后者。

1.3.2 自由面散熱邊界處理

溫排水排入到濱海水域后,通過近區(qū)摻混稀釋、遠(yuǎn)區(qū)對(duì)流擴(kuò)散,其廢熱直接進(jìn)入到天然海水中,通過水溫升高的自由水面蒸發(fā)、對(duì)流和輻射3種機(jī)制散失于大氣中。因此,水面散熱系數(shù)的選取直接關(guān)系到水面散熱能力和環(huán)境水體受熱容量的計(jì)算精度。

水面散熱機(jī)制十分復(fù)雜,陳惠泉等[47]、毛世民等[48]根據(jù)氣象可控專用風(fēng)洞系統(tǒng)試驗(yàn)研究成果和全國各地代表性水域(以湖泊和水庫為主)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),通過分析氣溫、水面風(fēng)速、水溫及水汽溫差等各因子對(duì)水面蒸發(fā)系數(shù)的相關(guān)關(guān)系,提出了充分考慮溫差效應(yīng)的全國通用水面蒸發(fā)散熱系數(shù)公式,統(tǒng)一了自由、強(qiáng)迫對(duì)流的散熱機(jī)理,已推薦成為《電力工程水文技術(shù)規(guī)程》及《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范公式。國外學(xué)者將水體表面熱通量考慮為短波輻射、長波輻射、感熱通量和潛熱通量之和,并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式[49]。目前大多數(shù)溫排放研究工作中,水面蒸發(fā)散熱系數(shù)通常采用規(guī)范公式計(jì)算甚至用常數(shù)代替,這對(duì)于湖泊、水庫等水域的溫排放數(shù)值模擬,其計(jì)算精度是可以接受的,但對(duì)于河口海岸水域,其海洋性氣候條件與湖泊、水庫等的氣候條件差異較大,水面上時(shí)有波浪發(fā)生,波浪條件下的散熱問題變得十分復(fù)雜,在此條件下規(guī)范公式的通用性存在不少值得推敲之處,需接受實(shí)測資料的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

2 結(jié) 語

迄今為止,溫排放數(shù)值模型的研究為海洋水環(huán)境的實(shí)用性研究提供了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和方法,但溫排水三維數(shù)值模擬方法研究仍處于探索階段,濱海電廠溫排水的擴(kuò)散規(guī)律已引起國內(nèi)外學(xué)者的極大重視。濱海水域岸線曲折,海底地形變化劇烈,水動(dòng)力條件復(fù)雜且密度層結(jié)效應(yīng)明顯,加之溫排水與環(huán)境水域溫差引起的斜壓效應(yīng),使得溫排水排放口近區(qū)的局部流態(tài)和溫升分布變得非常復(fù)雜。我國濱?；?、核電廠建設(shè)發(fā)展迅速,針對(duì)現(xiàn)有溫排放數(shù)值模式的不足,嘗試建立濱海水域溫度、鹽度大梯度水體高精度三維斜壓溫排水?dāng)?shù)值模型,探求更加符合實(shí)際的紊流模型和有效的計(jì)算方法,也許是今后的研究方向。但由于需要同時(shí)考慮海水斜壓效應(yīng)和溫差引起的斜壓效應(yīng),其理論推導(dǎo)和數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)也較湖泊、水庫、河流等溫排放模型更為復(fù)雜。因此三維溫排放數(shù)值模式的發(fā)展將是一個(gè)十分漫長的過程。

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Advances in numerical simulation of thermal discharge of heat or nuclear power plants in coastal areas

ZHANG Changkuan1,2,YAO Jing1,2,TAO Jian-feng1,2(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China)

The advances in numerical simulation of thermal discharge of worldwide heat or nuclear power plants in coastal areas in recent yearswere reviewed.The development situations and some basic issues of the existing numerical models for the thermal discharge were highlighted,mainly including selection of turbulent modes of the thermal discharge and control of model boundaries.A conclusion is drawn that 3D numerical models are regarded to represent the development tendency of those for the thermal discharge to a certain extent.The oblique pressure effects should be considered.The hydrodynamic fields and the diffusion fields of matters should be coupled for the solution.

water environment;thermal discharge;thermal pollution;numerical simulation

TK124

A

1006-7647(2010)03-0084-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2010.03.021

國家自然科學(xué)基金(50779016);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20090094120005)

張長寬(1954—),江蘇興化人,教授,從事海岸動(dòng)力學(xué)、近海水環(huán)境及物質(zhì)輸運(yùn)研究。E-mail:ckzhang@hhu.edu.cn

2009-10-21 編輯:駱超)