CORMIX與二維數(shù)模、物模在濱海核電廠溫排水近區(qū)模擬中的比對(duì)研究

我國一般采用二維數(shù)值模型和物理模型相結(jié)合的方式對(duì)濱海核電廠的溫排水影響范圍進(jìn)行評(píng)價(jià),二維數(shù)值模型難以模擬近區(qū)水流和溫排水的分布規(guī)律,而開展物理模型試驗(yàn)所需費(fèi)用高、周期長。CORMIX是在浮射流理論分析和物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的,對(duì)近區(qū)的稀釋擴(kuò)散特征模擬結(jié)果較好,且使用簡單快捷、成本低。本文以我國某濱海核電廠溫排水影響范圍的模擬為算例,對(duì)CORMIX與二維數(shù)模、物模進(jìn)行比較,結(jié)果表明,CORMIX對(duì)于近區(qū)的模擬結(jié)果優(yōu)于二維數(shù)模,與物模試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。同時(shí),本文還對(duì)CORMIX在濱海地區(qū)的適用性進(jìn)行探討,對(duì)于岸線規(guī)律、水下地形開闊的區(qū)域,CORMIX可作為溫排水近區(qū)模擬的首選方法。

濱海核電廠;溫排水;擴(kuò)散器;CORMIX

(李 燕 編輯)

1 模型介紹

康奈爾混合區(qū)專家系統(tǒng)(Cornell Mixing Zone Expert System,CORMIX)是一項(xiàng)水動(dòng)力混合區(qū)模擬與決策支持系統(tǒng),由美國康奈爾大學(xué)于1996年開發(fā)并持續(xù)更新完善[8],是美國環(huán)境保護(hù)署(U.S.EPA)推薦的用于液態(tài)流出物排放的混合區(qū)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模擬和決策支持系統(tǒng)。目前國內(nèi)常用的數(shù)值模型對(duì)浮射流考慮不充分,而CORMIX是在浮射流理論分析和物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的,著重考慮擴(kuò)散器的幾何參數(shù)和近區(qū)浮射流摻混影響[9]。它包括分析深層單孔排放的CORMIX1、分析多孔排放的CORMIX2以及分析表層排放的CORMIX3。CORMIX主程序運(yùn)行過程包含5個(gè)通用模塊,依次為DATIN、PARAM、CLASS,HYDRO和SUM,CORMIX主程序計(jì)算流程示意圖見圖1。

圖1 CORMIX主程序計(jì)算流程示意圖Fig.1 Flowchart of CORMIX main calculating processes

CORMIX根據(jù)長度尺度、時(shí)間尺度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)進(jìn)行比較后,對(duì)流動(dòng)形態(tài)分類。這些流動(dòng)形態(tài)是根據(jù)水深、水體分層、水平側(cè)向流速、排污量、流出物密度、受納水體密度及擴(kuò)散管的設(shè)計(jì)形態(tài)等多種因素進(jìn)行一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后確定的,同時(shí)給出能代表多種流動(dòng)形態(tài)稀釋度的數(shù)學(xué)公式。受納水體為非穩(wěn)定潮汐往復(fù)流時(shí),射流與不穩(wěn)定側(cè)向流的動(dòng)力學(xué)長度尺度Lu為式(1),表示潮汐往復(fù)期間流出物在受納水體中前進(jìn)距離的一種度量。射流與不穩(wěn)定側(cè)向流的時(shí)間尺度Tu為式(2),表示在速度場轉(zhuǎn)變時(shí)排放物可以被認(rèn)為向靜止水體排放之前持續(xù)時(shí)間的度量。

式中,M0=U0Q0,為動(dòng)力學(xué)動(dòng)量通量為受納水體流速隨時(shí)間的變化率。

2 模型應(yīng)用

鑒于計(jì)算便捷、模擬效果較好,CORMIX在國外核電廠及其他污水排放工程中應(yīng)用較為廣泛。美國大部分核電廠采用CORMIX對(duì)沿海和內(nèi)陸核電溫排水的混合區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬,例如Chesapeake Bay核電廠采用CORMIX對(duì)5種不同潮汐條件進(jìn)行模擬,最終確定熱混合區(qū)的范圍。此外,在常規(guī)污染物排放工程中也有廣泛應(yīng)用,如加拿大Santa Rosa再生水處理工程。

而國內(nèi)對(duì)于CORMIX的應(yīng)用尚處于消化吸收階段,研究較少。在2013年中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)開展的內(nèi)陸核電廠環(huán)境影響的評(píng)估課題中,張愛玲等對(duì)CORMIX軟件進(jìn)行了深入調(diào)研,包括對(duì)CORMIX軟件的主要功能模塊介紹與應(yīng)用研究,對(duì)CORMIX軟件在美國內(nèi)陸核電廠應(yīng)用的調(diào)研,以及應(yīng)用CORMIX對(duì)內(nèi)陸核電廠排放口擴(kuò)散器進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外,翟海波[10]采用CORMIX對(duì)臺(tái)灣高雄第三期污水排海工程進(jìn)行研究,李俊雄等[11]采用CORMIX對(duì)某內(nèi)陸核電廠址的排放口型式進(jìn)行優(yōu)化;鄧宗成和周皓[12]采用CORMIX確定含油污水排海工程近區(qū)的混合區(qū)范圍。

3 CORMIX與二維數(shù)模、物模的比較

3.1 算例介紹

我國某濱海核電廠附近岸線平直,工程海域?qū)崪y漲、落潮平均流速夏季分別為0.24,0.29 m/s,冬季分別為0.16,0.25 m/s。溫排水采用離岸深排的方式,排水工程垂直于海岸線布置,排水口位于海域16.7 m水深處,距海岸線長度為2 263.6 m。需要注意的是,CORMIX將輸入?yún)?shù)中真實(shí)受納水體的地形特征概化為排放口處水深和排放口離岸距離這兩個(gè)參數(shù)。由于本算例中排放口水深較深、離岸較遠(yuǎn),水下地形平緩且均勻,溫排水在排水口近區(qū)范圍內(nèi)的擴(kuò)散基本不受水下地形、海岸的影響,主要考慮水體的噴射摻混作用,因此認(rèn)為對(duì)于本算例這種地形的概化是合理的。

排水口頭部設(shè)4個(gè)豎井,尺寸均為4.4 m×4.4 m,豎井頂部設(shè)一層蓋板,每個(gè)豎井周圍設(shè)置2個(gè)3.5 m× 2.0 m出水窗口,出水窗口底部高程為-13.0 m。溫排水流量為81.59 m3/s,8個(gè)出水窗口的總面積為56 m2,排放流速為1.46 m/s。

3.2 計(jì)算方案

實(shí)際排放中排放塔同時(shí)向4個(gè)方向進(jìn)行排放(圖2)。由于CORMIX為模塊化的計(jì)算軟件,單次模擬時(shí)只能模擬單個(gè)方向的排放,不具備同時(shí)向多個(gè)方向排放的流態(tài)分類。因此,對(duì)于同時(shí)向4個(gè)方向進(jìn)行排放的情況,需要分別計(jì)算各個(gè)方向單獨(dú)排放時(shí)的影響范圍,再對(duì)影響范圍進(jìn)行疊加,如圖3所示。本次模擬4個(gè)方向上出流的總流量與實(shí)際的總流量相同,且模擬假設(shè)的各單個(gè)方向上溫排水的出流流速、流量及動(dòng)量均與實(shí)際排放中該方向的出流流速、流量及動(dòng)量相同,以盡可能地逼近真實(shí)情況,同時(shí)采用與物模、數(shù)模相近的計(jì)算條件,也便于與物模、數(shù)模結(jié)果進(jìn)行比較。

圖2 電廠實(shí)際排放方式示意圖Fig.2 Diagram of power plan discharge point

圖3 模擬計(jì)算的排放方式Fig.3 Different discharge modes

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)已開展的二維數(shù)模與物模結(jié)果,夏、冬兩季典型潮中溫排水影響范圍最大的是夏季中潮,因此選用夏季中潮作為計(jì)算工況。排放口附近夏季中潮潮位、流速、流向過程見圖4,在計(jì)算中采用4個(gè)典型時(shí)刻(漲急、漲憩、落急、落憩)實(shí)測的環(huán)境流流速、流向以及相應(yīng)水深作為計(jì)算輸入。

3.4 計(jì)算過程

將漲急、漲憩、落急、落憩四個(gè)時(shí)刻的4℃溫升影響范圍疊加后,取矩形進(jìn)行包絡(luò),作為該時(shí)刻的溫升影響范圍。再對(duì)4個(gè)時(shí)刻的溫升影響范圍疊加,作為最終的影響范圍,本方案的模擬流程見圖5。

圖5 本方案的模擬流程Fig.5 Flowchart of simulation of COMIX

3.5 CORMIX與二維數(shù)模、物模模擬結(jié)果比較

表1 CORMIX與二維數(shù)模、物模模擬結(jié)果比較Table 1 Comparison between CORMIX and 2D model and physical model

圖6 4℃溫升影響范圍(m)Fig.6 Area for 4℃-temperature increase(m)

圖7 3℃溫升影響范圍(m)Fig.7 Area for 3℃-temperature increase(m)

由CORMIX與二維數(shù)模、物模模擬結(jié)果比較可以看出,對(duì)于4℃溫升區(qū)CORMIX的模擬結(jié)果略大于物模結(jié)果,但結(jié)果的量級(jí)相當(dāng),溫升分布上也基本可以包絡(luò)物模結(jié)果。對(duì)于3℃溫升區(qū),CORMIX的模擬結(jié)果大于物模結(jié)果,溫升分布上也基本能包絡(luò)物模結(jié)果。

CORMIX與物模溫升影響范圍的模擬結(jié)果更加相近,說明該模型能夠比較真實(shí)地反映排放口近區(qū)溫排水的摻混稀釋特征。

4 CORMIX的優(yōu)點(diǎn)及適用性

1)二維數(shù)模計(jì)算區(qū)域較大,一般用于模擬遠(yuǎn)區(qū)的水體彌散規(guī)律,并為物理模型提供輸入。由于二維數(shù)模是對(duì)垂向溫升的平均,因此它無法反映排水口附近區(qū)域溫升的垂向變化情況。一般情況下,對(duì)于水深較大的水域,由于溫差分層效應(yīng),垂向平均二維數(shù)學(xué)模型在高溫升區(qū)面積的計(jì)算結(jié)果小于物模試驗(yàn)。

與之相比,CORMIX可以比較真實(shí)地反映排水初始摻混稀釋特征,更適用于近區(qū)的溫度場模擬。

2)物模試驗(yàn)對(duì)排放口近區(qū)流場和溫排水的模擬效果較好,但開展物模試驗(yàn)的花費(fèi)大、周期長,且物模試驗(yàn)一般在工程項(xiàng)目的初期完成,隨著建造的進(jìn)行,如果取排水流量、溫升或排放方式等條件發(fā)生變化,重新開展物模試驗(yàn)代價(jià)大。

CORMIX使用簡單快捷、成本低、無需試驗(yàn)場地、可實(shí)現(xiàn)性高,隨時(shí)可以根據(jù)變化調(diào)整方案進(jìn)行模擬,且在近區(qū)基本可以達(dá)到物模試驗(yàn)的預(yù)測精度,在進(jìn)行核電廠排放口的初步比選或多堆廠址擴(kuò)建項(xiàng)目溫排水復(fù)核時(shí)有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3)CORMIX在數(shù)據(jù)處理過程中,會(huì)簡化受納水體的地形特征,因此,CORMIX更適用于岸線規(guī)律、水下地形開闊的水體,即岸線和水下地形對(duì)溫排水稀釋擴(kuò)散影響較小的水體,對(duì)于這類水體,CORMIX可以作為溫排水近區(qū)模擬的首選方案。但是,CORMIX無法完全取代物理模型,因?yàn)镃ORMIX在模擬時(shí)需對(duì)排放口、地形、岸線進(jìn)行簡化,也無法考慮取排水之間的關(guān)系,在確定詳細(xì)的排放口形式、尺寸時(shí)仍需要物模試驗(yàn),對(duì)水面狹窄或幾何構(gòu)造較復(fù)雜的受納水體來說,地形簡化后可能會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響,在應(yīng)用該軟件時(shí)必須進(jìn)行適用性分析。

5 結(jié) 語

CORMIX軟件的引進(jìn)和使用為濱海地區(qū)溫排水近區(qū)的模擬提供了新方法。通過對(duì)我國某濱海電廠溫排水近區(qū)的模擬,對(duì)比分析了二維數(shù)模、物模和CORMIX三種模擬方式的結(jié)果,CORMIX對(duì)于近區(qū)稀釋擴(kuò)散特征的模擬優(yōu)于二維數(shù)模,與物模結(jié)果一致性較好,且與物理模型相比CORMIX使用簡單快捷、成本低。對(duì)于溫排水排放及稀釋擴(kuò)散影響受岸線和水下地形影響小的區(qū)域,CORMIX可作為溫排水近區(qū)模擬的首選方法。

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Received:March 9,2016

Comparison Between CORMIX and Traditional Models on the Simulation of Coastal Nuclear Power Plant Water Discharge

ZHANG Kun1,ZHANG Ai-ling1,QIN Chun-li2,WANG Shao-wei1
(1.Nuclear and Radiation Safety Center,MEP,Beijing 100082,China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute,CGNPG,Suzhou 215004,China)

Combination of 2D numerical model and physical model is mostly used in the simulation of the thermal plume formed by coastal nuclear power plant water discharge.It is difficult for a 2D model to simulate the flow and temperature distribution in near zone.Using physical model for experiments means higher cost and longer experiment cycle.CORMIX is developed based on buoyant jet theoretical analysis and physical model experiments,and can produce satisfactory simulation of dilution and dispersion characteristics in near zone.Besides,CORMIX is relatively simple and cheap.In this paper,CORMIX is compared with the 2D model and physical model by simulating thermal plume of a coastal nuclear power plant.The results demonstrate that CORMIX is better than the 2D model and in good agreement with physical model in near zone,and CORMIX's applicability in coastal area is also discussed.CORMIX is the best simulating method for thermal plume in the area where shoreline is smooth and bottom topography is flat.

coastal nuclear power plant;thermal plume;diffuser;CORMIX

X834

:A

:1671-6647(2017)01-0117-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.012

2016-03-09

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目——CAP1400安全審評(píng)關(guān)鍵技術(shù)研究(2013ZX06002001-010)

張 琨(1986-),女,河北石家莊人,工程師,碩士,主要從事核電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面研究.E-mail:zhangkun913@qq.com

*通訊作者:張愛玲(1973-),女,山東濰坊人,研究員,碩士,主要從事核電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面研究.E-mail:zhang20040701@sina.com計(jì)算上與實(shí)際有較大偏差。全三維紊流模型目前多用于恒定流條件下的模擬,對(duì)于水面隨潮起伏變化的潮汐水域,自由面的追蹤非常困難,而且計(jì)算量極其龐大,當(dāng)前的計(jì)算能力還難以勝任。CORMIX模型是基于長度比尺模型開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?從影響射流近區(qū)摻混稀釋的主要因素出發(fā),采用單寬比質(zhì)量通量、比動(dòng)量和比浮力等作為基本參量進(jìn)行射流分類。該模型物理概念清晰,沒有復(fù)雜的網(wǎng)格劃分和驗(yàn)證過程,只需根據(jù)軟件的設(shè)置輸入概化后的環(huán)境資料和排放口設(shè)計(jì)參數(shù),就可以得到計(jì)算結(jié)果,使用方便快捷,在國內(nèi)外工程研究中得到廣泛應(yīng)用。本文以我國某濱海電廠溫排水近區(qū)模擬為算例,對(duì)CORMIX與二維數(shù)模、物模進(jìn)行比較,并對(duì)CORMIX在濱海地區(qū)的適用性進(jìn)行探討。

張 琨1,張愛玲1*,覃春麗2,王韶偉1

(1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心,北京100082;2.中廣核集團(tuán) 蘇州熱工研究院,江蘇蘇州215004)

目前,我國運(yùn)行和在建濱海核電廠的冷卻方式均采取海水直流冷卻方式,循環(huán)冷卻水的溫升一般大于7℃[1]。核電廠因其安全性要求非常高,廠址相對(duì)稀缺,通常一個(gè)濱海核電廠址的規(guī)劃容量按照6臺(tái)百萬千瓦級(jí)機(jī)組考慮,即采用“一址多堆”的建設(shè)模式[2]。單臺(tái)百萬千瓦核電機(jī)組的排水流量大約60 m3/s,據(jù)此估算一個(gè)核電廠址在運(yùn)行時(shí)排熱量可達(dá)1.1×107kJ/s。蘊(yùn)含巨大熱量的核電溫排水集中排入海域后,必然會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生熱污染,尤其在排放口近區(qū)溫升較高的區(qū)域。因此,溫排水的熱污染問題是我國核電建設(shè)過程中面臨的主要環(huán)境問題之一[3],對(duì)于溫排水影響范圍的評(píng)價(jià)是核電廠運(yùn)行期間環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。

對(duì)于濱海核電廠,工程上一般采用平面二維數(shù)值模型和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)溫排水的影響范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。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分布規(guī)律[4]。尤其是對(duì)于采用深排方式的溫排水,在模擬時(shí)浮力特性不可忽略,平面二維模型對(duì)其近區(qū)的模擬已不再合適,需采用三維模型進(jìn)行模擬。要了解溫排水垂向水流特性和溫度分布,也必須進(jìn)行三維模擬。

目前,工程中采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行近區(qū)的三維模擬,但其缺點(diǎn)在于開展物模試驗(yàn)所需費(fèi)用高、試驗(yàn)周期長。近年來,垂向分層準(zhǔn)三維數(shù)學(xué)模型在濱海地區(qū)電廠溫排水模擬研究中應(yīng)用較多,也取得一些研究成果,例如,郝瑞霞等采用三維離散型邊界擬合坐標(biāo)變換下的控制體積法對(duì)泉州灣某核電廠溫排水溫升范圍進(jìn)行模擬[5];朱軍政等采用DELFT-3D對(duì)樂清灣內(nèi)某濱海電廠的溫排水進(jìn)行模擬[6];何國建等采用EFDC模塊對(duì)山東海陽核電廠溫排水的三維擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬[7]。分層三維模型雖然可以在一定程度上反映排水出流浮力作用和垂向水溫分層效應(yīng),但由于該模型采用布辛涅斯克假定,忽略了垂向加速度,因此在近區(qū)模擬