潮汐是怎样使地球自转速度变慢的

潮汐是怎样使地球自转速度变慢的 水资源与水工程学报 2 3 1 Vol, 23 No, 1第 卷 第 期 Journal of Water Resources , WEantger inee ringFeb ,， 2 0 1 22 0 12 2 年 月 潮汐水域水力热力特性模拟及工程应用 高 燕 芳 (，030002)山西省水利水电工程建设监理公司 总工办山西 太原 : ，，摘 要结合可门电厂工程实际采用数值模拟和物理模型试验相结合的方法对电厂附近潮汐水域的水力热力特 。，性进行了系统的研究数值模拟和物理模型试验是温排水在受纳水域中扩散运移规律的有效方法可以模拟 、，、，。温度场分析热量的影响范围时间及强度优化取排水口工程布置 电厂冷却水排放所产生的流速场 : ; ; ; ; 关键词冷却水水力特性热力特性物理模型数学模拟 T744: : 1672-643( 2012)0 1-0153-04:VAX中图分类号文献标识码文章编号 Simulation and application about hydaulic and r thermal characteristic in tidal area GAO Yanfang ( Chief Engineer Office，Shanxi Water Resources and Hydropoweor nCstruction Supervision Company，Taiyuan 030002，China) Abstract: Combined with the situation of Kemen powersta tion，the hydraulic and thermal characteristic in full tide near the powserta tion have beenst udied by numerical simulation and physical model systemi- cally, Numerical simulation and physical model are effective methods taon alyze the diffuse and transfer rule of warm waterin acceptance atwer，which can simulate the velocity and temperatureiel df，analyze the heat affectaedre a，time and intensity，optimize the intake and discharge disposal, thermal characteristic; physical model; numerical sim-Key words: cooling water; h ydraulic characteristic; ulation 。染现象 1 研究意义上述两方面问题的深入研究都要求对受纳水 ，的温度进行合理的预报和控制其基础就是对受 ，、、随着国民经济的发展河流海湾湖泊和水库 。水域温度分布的定量描述 受工业废水或生活废水的注入而引起的水环境问题 ，， 已不容忽视如何正确地预报水域水质的变化情况 防止环境污染及水生物链的损害是目前的重大研究 2 研究方法 。课题工业废弃水中常常伴有不同程度的废热存 、针对废热在水环境中随水流的扩散迁移变 ，，、在因此热排放问题也是水环境预测保护中经常 ，: 、、规律主要研究方法有理论分析原型观测数值 。遇到的问题 。，拟和物理模型试验目前数值模拟与物理模拟 / 。 火 核电厂是向水环境排放废热的主要单位，，，一不可它们互相补充取长补短在工程和 ，尽管现代科学技术已很发达但电厂的热效率仍很 。境评价中起到了重要的作用 ，，，低携带巨大能量的温排水采用水面冷却时要给 。附近水域带进大量废热利用天然水域释热的方法 2, 1 数值模拟: 涉及到两方面的问题?冷却水取水温度的高低直 ，数值模拟是将描述水流运动的方程组采用 ，， 接影响电厂的发电效益如何合理地布置取排水口 ，，散化方法建立数学模型并通过计算机进行计算，，充分利用水面资源散热使电厂能取到低温水避免 ,1, ，得到时间和空间上离散点各变量的值从而对流; 发生热水短路现象?冷却水排入附近的受纳水 。进行定量的描述 ，，、 域中不仅会引起受纳水域水温变化而且对水质 ，2, 1, 1 水生物等会产生许多连带影响严重时会发生热污 数值模拟的优点 数值模拟方法有其突 ，，的优点所有试验条件都以数字形式给出对流体 ，，扰动不存在缩尺效应不受实验场地和观测仪器 :2011-09-0;1 :2011-09-28收稿日期修回日期 :( 1980-)， ，，，，。作者简介高燕芳女山西阳泉人硕士研究生工程师主要从事水利工程监理工作 ; ; ;、。， 为当地的纬度τ为面风应力速度响数值模拟时间取决于计算机速度和计算方法ττ为 sx sy s ，某一数学模型及其计算程序完成后对同类问题具 x，y ; x、y 。表面风应力在 方向的分力为坐标，。，有普适性可被反复引用因此数值模拟方法具有 :定解条件 、、。高效经济简便的优点 ( 1) = u( x，y) ，v( x，y，0): u( x，y，0)初始条件 0 2, 1, 2== v( x，y) ，( x，y，0) ( x，y)数值模拟的局限性 数值模拟的局限性主 ξξ 0 0 : ，( x，y，0) = ( x，y)要表现在?数值模拟依赖于控制方程的可靠性计θθ 0 ，算结果也不能提供任何形式的解析表达式只有有 ( 2) : : ，边界条件陆地边界采用滑移条件即; 限个离散点上的数值解?数值模拟的可靠性和精 V?n = 0，;潮间带采用动边界模拟处理 、、， 度取决于数学模型离散方法边界处理等各环节 θ，处理不当将难以准确地表达实际情况甚至造成伪 ，= 0。温度为绝热条件n ; 物理现象?数值模拟往往需要由原体观测或物理 。: ，( x，y，t) =模型试验提供某些流动参数 潮流水 边 界给 出 变 化 过 程即 ξ ( t) ，。、 ξ其潮位过程由实测资料推求流速温度采用2, 1, 3 深度平均的潮流运动方程 对于河口或大 。基于对流的外延插值法获得，，型水库往往垂向加速度与重力加速度相比很小可 : 取排水口边界速度和温度由不同工况下的排 。，以忽略当模拟水域的水平尺度远大于垂向尺度。水流量和热量守恒推出 ，水平流速远大于垂向流速时物理量沿水深方向的 2, 2 物理模拟 ，变化相对沿水平方向的变化要小的多略去物理量 ，物理模型试验是根据水流流动特性抓住影响 ，沿水深方向的变化可得到沿水深平均的二维流动 ,2,，，水流运动的主要作用力按照相似准则将原体缩制 。基本方程 ，，成模型使模型模拟与原体相似的流动情况对模型 :连续性方程 ，，进行观测取得试验数据后再按照模型比尺将模型 ，。结果引伸于原体对自然现象进行研究的方法 ( Hu)( Hv)ξ + + ( 1)= 0t xy 2, 2, 1，物理模拟的特点 与数值模拟相比物理模 :运动方程 、，。型具有投资大周期长灵活性差的特点同时物理 guu u uξ 2 2 、模型试验也存在着如缩尺效应变态影响等深层次 + u + v = )g + fv )u+ v+槡 2 t x yx CH。问题 τuu 1 1 sx ( 2)+ ( HE ) ( HE)+ x y 2, 2, 2水力热力物理模型 水力热力物理模型是 H H x xH yyρ ，，在水流特性模拟的基础上增加了温度变量使试验 guv v vξ 2 2 + u + v = )g )f u )u+ v+槡 ，，考虑因素增多不仅要求模型水流与原体相似还要 2 t x yy CH。求冷热水产生的浮力分层相似对于潮汐水域温排 τ 1vv1sy ( 3)，)+ ( HE+( HE)水的物理模型试验应首先通过控制模型的边界流 x y H H x xH y yρ ，。量或水位使模型水流能反映潮流特性一般潮流 :温度方程开边界条件由原体观测资料或经过验证的数模计算 K θ θ θ θ θ θ = + u + v ( K))( K)+ y x t x y x xy yC Hρ p 。结果给出 ( 4)2, 2, 3 ，水力热力物理模拟方程 物理模型试验是 2,3, : = cos，= sin，= CW ，H=式中τταττατρ ，sx s sy s s D a 应用量纲和谐及相似理论等知识将原体缩制成 h+ ，)T ，f = 2sin，u、v = T x、y ξθ ωΦ 分别为 方 ，。b 模型研究水流运动规律的方法 ? ; t ; g 向的垂向平均流速为时间变量为重力加速 ，:根据相似理论得严格的相似条件为1 /6 ; C H/ n ，C = ，n 度为谢才系数用公式 计算为曼宁 :几何相似 ; H ; ; h糙率系数为水深ξ 为相对基准面水位为基准 b b c Δ ( 5)=== 1, , , , , , ; E、E; x，y 面以下水深为 方向广义粘性系数θ为 aahx y rrr; T ; T; K、K超温为垂向平均水温为自然水温为 ? x y :运动及动力相似 ( Eu) = ( Fr) ; ; ; C广义热扩散系数ρ为水密 度ρ为空气的密度r d ra p = ( Fr) = ( Re) r r; K ; W 为水的定压比热为水面综合散热系数为风 = ( Pc) r( 6)= 1 15:1 高 燕 芳潮汐水域水力热力特性模拟及工程应用第 期 ' 4, 3 φ φ 模拟范围 == 1( 7), , , , ，数值模拟应用二维浅水潮流数学模型采用 φφ rr00 ，步杂交法求解深度平均的水流运动控制方程采 : E; Fr; Fr 式中为欧拉数为密度佛汝得数为佛汝 u d ，能适应天然不规则边界的三角形计算网格网格 ; Re ; P; 得数为雷诺数为比热系数φ为进入水体c 0 1 。置见图 所示 ' ; ; 的总热量φ为固壁总体散热量φ为水面总体 散 、物理模型选定将南北两水道的分汇流线取 。热量 ，，固壁曲线边界忽略扩散效应将模型设计为半整 ，模型设计都是以模型相似理论为基础但不可 ，15, 0 km × 5, 4 km( 2) 。模型模拟范围为 见图 ，，能同时满足所有的相似准则需结合试验目的根据 ，，水流运动的特点抓住主要矛盾选择适宜的模型相 ，。似准则使模型水流能与原体相似 3 验证试验 3, 1 潮位验证 : 影响模型与原体潮位相似的主要因素有模型 ,4,、、。地形河床糙率水边界进出流量水边界控制 条件一般由原体资料或经过验证的数模计算结果给 ，。出按相似原理换算到模型在模型中至少应有两 1数模计算网格布置图图 ，，个潮位验证点模型制做及设备安装工作完成后要 ，，试放水进行水位观测并与原体或数模结果相比 。，，较若不符合应首先核对地形其次对糙率和水边 ，。界流量适当调整使模型水位与原体水位基本一致 3, 2 流速验证 ，在潮位验证的基础上模型内应包括多个流速 2图 物理模型范围示意图，、验证点模型与原型各验证点的流速流向应基本吻 。、合在水流进出口处流速流态不相似往往是由于 4, 4 潮流验证 ，模型进口段水流或尾门的影响可采取加设滤波设 4, 4, 1 数值模拟验证 计算结果与实测结果比 ，。施等减小对水流流态的影响当沿程潮位均 3。，，见图 由图可见无论是潮高还是相位计算值 ,5,，。一致时流速的相似性将不致有太大的偏离 ，、实测值都吻合良好计算所得各测点的流速流向 。实测数据趋于一致 4 工程应用4, 4, 2 ，物理模型验证 结合数值模拟计算结果 、，定物理模型试验的边界流量及潮位流速验证点4, 1 工程概况 4。: 、由图可见模算值实测值及模型值对比见图 福州可门火电厂位于福州市连江县坑园镇颜岐 、。潮位实测潮位及计算潮位变化过程基本一致 ，。2 ×600 村在罗源湾南岸电厂一期工程已建设 MW ; 2 ×600 MW 。 机组二期扩建工程拟建设 机组 、。型流速流向与实测资料及计算结果均吻合良好 ，电厂采用海水作为冷却水源可门电厂附近海域潮 ，模型流场与原型流场相似能反映原型流场，汐属正规半日潮罗源湾内潮流基本上沿等深线作 ，流动特性为热水的输移和扩散提供了可靠的流 ，13, 4 cm / s，往复运动大潮时最大余流流速 小潮时 。基础 6, 2 cm / s。最大余流流速 4, 5 热力试验 4, 2 试验目的 ，4, 5, 1 针对取水口两个布置( 4 ×600 MW) 试 验 数 据 对二期运行工况装机容量 取排 : 1: 水方案进行温排水试验方案 二期取排水原设计 、大小潮共四组工况进行了电厂冷却水水力热力; 2: 50 m。方案方案 二期取水口向岸缩近 了解温排 ，性物理模型试验对热水温升分布规律进行了分析，水随潮流的变化规律对二期取水口向岸缩进对温 得出了全潮最大温升等值线包络面积和全潮平均# # 。排水的影响进行分析 ，1。1、2升等值线分布面积见表 取水口试验所 2。的取水温升特征值见表 3 4 图 数值模拟潮流验证图 物理模型潮流验证 2 km，?1 表 温升等值线面积 温排水全潮最大温升等值线包络面积温排水全潮平均温升等值线包络面积 组次工况潮型 43210, 543210, 5 0, 220, 641, 413, 797, 530, 040, 080, 181, 145, 3311大潮0, 52 1, 05 2, 27 4, 17 6, 57 0, 04 0, 08 0, 23 1, 29 3, 37 2 小潮 3 0, 300, 621, 553, 727, 860, 030, 070, 191, 115, 362大潮4 0, 43 0, 91 2, 17 4, 58 6, 68 0, 03 0, 08 0, 22 1, 32 3, 99 小潮 ? 2取水温升特征值表 # # 1 2 取水口取水口 组次潮型方案编号 最大最小平均最大最小平均 1, 280, 230, 461, 050, 230, 4411) S 1 大潮方案 1, 02 0, 29 0, 48 1, 51 0, 47 0, 68 3 2 方案 )S 21 0, 97 0, 38 0, 56 0, 86 0, 37 0, 53 2 方案 )S 1 小潮4 20, 93 0, 39 0, 63 1, 12 0, 53 0, 81 方案 2 )S 4, 5, 2。，的试验结果能对数学模型提供验证资料二者在工试验结 论 ? 同一潮型下各种工况温升 ，，程实际中相结合互相取长补短能够取得满意的试 、，分布形状面积相近取水口有无缩进对温升分布影# 。验结果 。21 #响不大? 取水口向岸缩进对 取水口影响不 ，，大取水温升过程线基本接 近平均温升变化在 # 0, 1? 。2，以内? 取水口向岸所进后取水温升有 :参考文献，0, 3? 。所增加比缩进前高 左右 ,1,Helmut Kobus, , 清华大学水利系泥沙实验室译水力模拟 ,M,, : 1988, 5,，北京清华大学出版社 ,2, , ,M,, : ，1995,周雪漪计算水力学北京清华大学出版社 5 结语9, ,3, , ( 、) ,M,, ，1979, 吴持恭水力学上下册高等教育出版社 ，随着计算机和现代计算技术的不断发展物理 ，、2, 模拟与数值模拟相结合成为研究温排放扩散掺混 ,4, , ,J,, 陈凯麒潮流海域冷却水运动的模拟验证水动力学 : 、运动的重要手段数学模型可以克服试验场地模型 ( A ) ，1994，9( 1) : 104) 111,辑 研究与进展，比尺的限制为物理模型提供必要的边界流量及潮 、，; 位流速验证点提高物理模型的可信度物理模型