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1、太原理工大学 硕士学位论文 恒定均质水域温排放三维数值模拟研究 姓名：马瑞群 申请学位级别：硕士 专业：水力学及河流动力学 指导教师：郝瑞霞 20100601 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 恒定均质水域温排放三维数值模拟研究 摘 要 电厂是废热水的主要排放单位，其对受纳水体生态环境造成的影响应 给予足够的重视。温排水进入受纳水域后改变了受纳水域的密度分布，出 现了冷、热水密度差引起的分层流动现象，而分层流动又反过来影响水流 的运动及温度的分布，同时热水受到浮力作用使得受纳水域表层温度升高 增强了水面向大气的热辐射、蒸发和传导效应。因此对温排水在受纳水域 的输移和变化规律进行三维数值模拟
2、，预测流速和温度的分布，从而分析 热污染范围和程度具有十分重要的实际意义。 本文主要是针对有横向来流表面湍浮力射流进行三维数值模拟计算， 具体包括：选取计算工况；建立k双方程模型，加入浮力修正项；采用 有限体积法，在矩形交错网格上离散控制方程；用 SIMPLE 算法处理速度、 压力的耦合，最终获得收敛解。对流速场、温度场的计算结果可以得出， 水深相同时，随着横流量的增大温度影响偏向下游；横流量相同时，随着 水深的增大温度影响范围稍偏向上游。同时将计算结果与物理模型试验结 果进行对比分析，平面温升分布趋势一致。浮力修正的k双方程模型可 以用于实际工程的模拟计算。 关键词：数值模拟，表面湍浮力射流
3、，k双方程模型，速度场，温度场 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 3-D Numerical Simulation Of Thermal Discharge In Constant Homogeneous Water Area ABSTRACT Power plant is the major unit of thermal discharge, and we must pay much attention to the impact on the ecological environment of receiving water. The receiving waters density
4、 will be changed after thermal discharge get into it, the receiving water will be appeared stratified flow phenomena, while stratified flow will affects movement and temperature distribution of receiving water, at the same time, surface temperature of receiving water will increase because of buoyanc
5、y in thermal discharge, then enhance heat radiation, evaporation and conduction effects from water surface to atmosphere. So its very important to simulating transport and variation of thermal discharge in receiving water area with three-dimensional, prediction the distribution of velocity and tempe
6、rature rise, analyze scope and extent of thermal pollution. This paper carry on three-dimensional numerical simulation mainly for surface turbulent buoyant jets that exist transverse incoming flow, including: select calculation conditions, establish k turbulent model with adding buoyancy revising it
7、em, discrete control equation on staggered grid with finite volume method, deal with coupling of velocity and pressure with SIMPLE algorithm, finally obtain convergence solutions. From the results of flow field and temperature rise field, we can come to next conclusion, in the same depth, temperatur
8、e will trend downstream with increasing of incoming flow, in the same incoming flow, temperature will trend upstream with increasing depth. Meanwhile, through analysis of calculation results and experiment measure results, the trend of plane temperature rise distribution is consistent. The k 太原理工大学硕
9、士研究生学位论文 V turbulent model with adding buoyancy revising item can be used in simulation calculation of practical engineering. KEY WORDS：numerical simulation, surface turbulent jets, k turbulente modle, velocity field, temperature field 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 符号说明 受纳水域的密度 排放温水的密度 冷热水密度差 体积膨胀系数 Cp比热容 Q流量
10、通用变量 广义扩散系数 S广义源项 k湍流动能 湍动耗散率 x ， y ， z x、y、z 方向的湍流热扩散系数 粘性系数 t 湍动粘性系数 T 湍动 Prandtl 数 y 湍动 Schmidt 数 k G 平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项 b G 浮力引起的湍动能 k 的产生项 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究的意义 随着社会的发展，国家经济实力的增长，大批火/核电厂修建运行，用来缓解能源不 足的矛盾。此类电厂热效率往往不高，仅为 30%40%左右，剩余的热量需要通过冷却 水循环系统加以带走，用来确保机组安全运行。电厂冷却方式有两种：一是表面冷却； 二
11、是采用冷却塔冷却。目前，大部分电厂都是采用表面冷却方式，即利用自然水域水体 对汽轮机组冷却后又排放至江、河、湖、海等自然水域，温排水进入周围受纳水域后， 经过与环境水体的掺混和对大气的散热后，将大量的余热弃置于电厂附近水域（排水问 题），电厂再从该水域中尽可能少受该余热影响的水区抽取新的、低温循环冷却水（取 水问题），这样可以节省运行费用。 电厂温排水的温升一般在 810， 一个装机容量为 100 万千瓦的火电厂， 需要的 冷却水量为 30m3/s40m3/s，产生废热量为 320400Cal/ts。如此巨大流量的温排水排放 后会改变排水口附近受纳水域的流场，而且会将大量废热弃置于周围受纳水域
12、中。废热 的存在使得受纳水域水体温度升高，同时也对环境水体的水质及生态产生影响。据有关 资料显示，水温升高可以促进水中藻类的生长繁殖，特别是水温在 2035，藻类生 物量随着温度的升高而增加，在 35时增长最快，但到 40生物量大为降低；同时水 温升高使得水体含氧量降低，一些水生生物的发育受阻或者死亡，同时也加快了污染物 的分解速度，造成该水域水质污染，水域生态环境恶化。 为了减少温排水对邻近水域的影响，电厂的冷却水取、排水口布置1 ，2既要满足取 水口取到低温冷却水的要求，又要提高水面散热及对流输热的能力，使加温的冷却水迅 速扩散，避免发生热水刚从排水口排出后就又被取水口取回的热水短路现象，
13、同时又要 减少温排水对生态环境的影响3-8。因此要对该水域的冷却能力，以及温排水进入该水 域后的温度分布、热量分布和对环境生态的影响做出预测、预报。 正确预测冷却水温排放的影响范围、 温度分布状况及强度等对于火/核电厂的冷却水 工程布置、电厂运行、环境评估、监测预报都具有非常重大的意义。本文对恒定均质水 域温排水水力热力特性进行了三维数值模拟，其结果对电厂的取排水口布置、环境评估 等都具有一定的学术参考价值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.2 水流运动的研究方法 水流运动的研究方法主要包括：理论分析、原型观测、物理模型试验及数值模拟四 种 9。 1.2.1 理论分析 理论分析是在分析
14、作用于流体上的力，并以此为基础引用经典力学的基本原理（牛 顿定理、动量定理、动能定理）建立水流运动的基本方程组（连续性方程、能量方程和 动量方程），根据所解问题的特点对方程组和边界条件做相应的简化，得到其解析解。 理论分析在研究液体运动的一般规律方面已较为成熟。但实际水流运动过程很复杂，受 边界条件和来流条件的影响，单纯依靠理论分析不能得到理论解，因此理论分析的同时 还需要借助其他手段。 1.2.2 原型观测 原型观测是利用人工或者遥感测量技术对自然界的实际水流运动进行观察、测量， 收集第一手资料，为理论分析成果或总结某些基本规律提供参考依据，也可以验证物理 模型试验及数值模拟结果的可靠性。原
15、型观测的优点是所收集的资料真实、可靠；缺点 是收集过程中需要投入较大的人力、物力及资金，并受实际条件的限制，不能保证得到 系统详尽的资料。 1.2.3 物理模型试验 模型试验是根据水流流动特性，分析影响水流运动过程中的主要作用力，遵循一定 的相似准则，将原体按照一定的比例关系缩制成模型，在模型上模拟与原体相对应的水 流运动，在模型试验过程中针对不同的物理量选取合适的方法进行测量，获取试验数据 后，再按照相似关系换算为原型成果，来满足工程需要。但模型试验存在相对投资大、 周期长、灵活性差、缩尺效应、变态影响等一系列问题。 1.2.2 数值模拟 数值模拟针对不同的问题将描述水流运动的控制方程组采用
16、不同的离散化方法，建 立数学模型，并通过计算机进行计算，得到时间和空间上离散点各变量的值，从而对流 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 场进行定量的描述。数值模拟的优点是所有试验条件都以数字形式给出；不存在缩尺效 应；不受试验场地和观测仪器影响；试验条件和参数容易进行控制和改变，并且能模拟 物理模型试验不能轻易达到的条件（重污染、超高温、超高压）；模拟时间相对较短； 费用低；对于同类问题的模拟方法可以相互引用。数值模拟的缺点是可靠性和精度主要 取决于所建立的数学模型、离散方法的选取及边界条件的处理上，如处理不当将难以真 实的表达实际水流现象。 总之，随着科学技术的发展、应用、人们对水流流动过程中物理机理的不断认识及 数值计算方法的不断改进，计算机数值模拟越来越受到科研工作者的青睐，它已成为研 究水流运动规律的重要手段之一，并广泛的应用于各类研究及实际工程中。但数值模拟 仍存在一些难以解决的问题，因此不能忽视其它研究方法，它们之间相互联系、相互促 进，在
