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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。吸影响提供依据。吸影响提供依据。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的问题，本专利技术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。
[0005]本专利技术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：
[0006]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；
[0007]模型的控制方程如下：
[0008][0009][0010][0011][0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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：
[0016][0017][0018]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：
[0019][0020]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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]本专利技术的优点和有益效果是：本专利技术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。本专利技术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。
[0024]本专利技术根据不同流速、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
[0025]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0026]图1是直明渠(0度导流堤)的取水明渠结构示意图；
[0027]图2是45度导流堤的取水明渠结构示意图；
[0028]图3是90度导流堤的取水明渠结构示意图；
[0029]图4是135度导流堤的取水明渠结构示意图；
[0030]图5是180度导流堤的取水明渠结构示意图；
[0031]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；
[0032]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；
[0033]图8是本专利技术实施例所述方法的生物粒子表层投放示意图；
[0034]图9是本专利技术实施例所述方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：模型的控制方程如下：模型的控制方程如下：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩瑞，纪平，赵懿珺，段亚飞，曾利，梁洪华，秦晓，门昌华，武佳兴，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：