近岸海域温排水的三维数值模拟

第27卷第10期2010年10月长江科学院院报JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVo1．27No．10Oct．2010文章编号：1001—5485(2010)10—0055—05近岸海域温排水的三维数值模拟崔丹，金峰(武汉长建创维环境科技有限公司，武汉430010)摘要：采用基于无结构三角形网格有限体积法的三维水流运动与温度输运数学模型模拟潮流场与温度场，模型守恒性好，且能实现对工程区域的贴体模拟。通过潮位潮流实测资料对模型进行了验证，数值模拟结果与实测数据吻合较好。对待建电厂温排水的输运与扩散进行了模拟计算，给出了温排水的时空分布及取水口的温升过程线，为电厂取排水口的设计以及温排水环境影响评价提供了科学依据。关键词：数学模型；潮流；温排水中图分类号：TV137文献标识码：A1概述随着近海地区经济发展及近岸海洋资源的开发，社会对能源的需求量与日俱增，火电、核电飞速发展的同时也带来了大量的热污染问题¨j。沿海地区修建热电厂，一般直接取海水作冷却水，循环冷却水升温后排入环境水体会引起受纳水体升温。因此了解温排放的流场和温度场，对电厂温排水产生的热污染程度和污染范围做出确切的预报是极其必要的。现有的海岸热扩散预测方法中，二维预测模型较为普遍I4，由于没有考虑污染物质在水深方向上的变化，主要用于水深变化不大，温度分层不明显的宽浅型水域。实际工程区域附近的水流条件复杂，温废水排入受纳水体后会有较强的分层现象，因此三维水动力与污染物扩散数学模型得到越来越广泛的应用。。本文采用三维水动力及污染物扩散数学模型模拟近岸海域一待建2×300MW级热电厂的温水扩散与输运，为电厂取排水口的设计及温排水环境影响评价提供科学依据。2数值模拟方法2．1控制方程在笛卡儿坐标系下，三维水流运动方程与温度输运方程：++一Ow=S；(1)OxOyOz’、Ou．Ou．Ovu．Owufa10lp——+——+——+——=I，一g一——一OtOxOyOzOxP0Ox出++()+s；c2)+++一—g0ytuOtOxOyOz一——+——+——+——=一一0一。10pa—P曼o等出++拿Oz(Oz)+。．S。podJzd，＼{(3)—O—T+—Ou—T+—Ov—T+—Ow—T～——十——十——十——OtOxOyOz即去(D)+．s。(4)其中：=O(2A)+[4(+)]；(5)F=[A(考+Ox)卜(2)；(6)D=Vt；=0D)+(-⋯0／]T。(7)式中：U，，W为流速在，Y，z方向的分量；为水深，h=叼+d，77为自由水面相对于平均海平面的位移，d为平均海平面以下的静7k深：厂为柯氏力系数．f：收稿日期：2010—08—23作者简介：崔丹(1982·)，女，占林延边人，T程帅，博士研究生，从事港口、海岸及近海工程研究，(电话)027—82605989(电子信箱)cuidan11O1@126．con1．长江科学院院报2010丘2~sin~，为地球旋转角速度，为地理纬度；g为重力加速度；P为水体密度，密度为温度和盐度的函数，P=p(T，s)；p。为参考密度；A为水平紊动黏性系数；为垂直紊动性系数；p为大气压力；M，为排入环境水体中的水流流速；S为点源流量；为点源^的温度或温升；D为水平热扩散系数，D=，O-T为普朗特常数；D为垂向热扩散系数。2．2定解条件及数值求解方法2．2．1边界条件模型边界由海域边界与陆域边界组成，海域边界为开边界，陆域边界为海域与海岸线的交界线。开边界上潮位过程根据实测资料给出，即日(，y，t)Ir．=H(，Y，t)，式中H(，Y，t)为开边界上的实测潮位过程；陆域边界即固壁边界条件由式·I，=O给定，式中U为流速矢量，n为固壁边3’界法向。温度场在固壁边界上：=0。d，2．2．2初始条件H(，y，t)l⋯=风(，Y，t0)，“(，Y，t)Icn=¨0(，Y，t0)，(，)，，t)l：m=0(，Y，t0)，T(，，t0)=0。式中(，Y，to)，u0(，Y，to)与0(，y，t。)为初始时刻t。的潮位、流速、温度值。2．2．3数值求解方法平面上采用三角形网格划分固壁边界计算区域，实现工程区域建筑物的贴体模拟，提高排水口附近潮流场与温度场的计算精度；竖直方向上，在坐标系下，对计算区域进行空间离散，坐标系对不规则床面地形具有较好的适应性。对控制方程的离散采用cel1．centered有限体积法，有变量存储于网格中心处，保证模型良好的守恒性。2．2．4参数取值本文采用Samagorinsky模型给出的水平向紊动粘性系数，温度输运模型中的水平扩散系数取与水平向紊动粘性系数相同的值。三维水流模型与温度输动模型的垂向紊动粘性系数采用抛物线分布形式。计算精度，工程区域网格边长在60m左右。垂向网格采用坐