一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法技术

本发明专利技术涉及滨海电厂取水工程基础设施领域，尤其涉及一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，包括：获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，根据进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案，采用室内水槽实验对致灾物的水力特性进行研究，判定致灾物的自身随水运动特性，同时口门卷吸能力评估针对“局地增殖型”致灾物，有效判断易于发生卷吸灾害的致灾物高风险位置和范围，与目前现有的模拟技术相比可更加真实的反映致灾物的实际运动特征，模拟结果更加真实可靠。可靠。可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法


[0001]本专利技术涉及滨海电厂取水工程基础设施领域，具体涉及一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法。

技术介绍

[0002]我国当前在营核电机组达54台，绝大多数建设于近海区域，采用直流循环供水的方式冷却发电机组，在运行过程中需要大量冷却水，采用于海岸近侧建设明渠或暗涵取水是最为常见的取水工艺，其中明渠取水应用最为广泛。近年来，我国近岸局部海域污染严重，常有大量海洋垃圾漂浮于海面，加之近岸养殖业的发展进一步增加了海洋生物的富营养化现象，以致例如藻类（浒苔、赤潮、海带等）、水母、毛虾、尖笔帽螺、海地瓜等小型海洋生物灾害频发，以上致灾污染物（垃圾或小型海洋生物）无游泳能力或游泳能力极弱，其运动形态体现出“随波逐流”的特征，即在潮流携带下随流输送。由于滨海电厂明渠大量、持续取水，改变了局部流态，使取水明渠口门成为了区域性流场“黑洞”，在取水作用下水中杂物（包括海生物及漂浮污染物）可持续进入取水明渠内，并在取水泵房前聚集，此即“卷吸”效应。被卷吸进入取水明渠的致灾物可引起取水泵堵塞，进而对机组的运行产生严重影响，导致机组被迫降低功率或停堆停机。近年来，我国核电厂已陆续报告了数十起由于海生物或漂浮污染物堵塞取水系统而引发的事件，相关异常报告的数量至今仍呈增长态势。其他国家核电厂近十年也发布了上百起取水系统堵塞的事件，引发了一系列工程问题。取水对污染物的卷吸，已成为影响核电站冷源安全的重大风险隐患。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，通过在取水明渠海域广布质点群落，充分包络致灾物接近电厂的所有可能入侵路径，研究致灾物的运动轨迹，为近海电厂取水工程的优化设计、清理运维提供技术依据，并为近海电厂取水冷源安全保障做出贡献。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，包括：S1、获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；S2、获取特征致灾物的基础水力特性数据，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据；S3、建立近海电厂对应的三维水动力数学模型；S4、利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型；S5、利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案模拟数值；S6、根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂
取水明渠口门内的控制性质点数量；S7、根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；S8、根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案。
[0005]优选的，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据包括：利用所述特征致灾物的密度、起动流速u
c
、沉降速度w
s
与随水运动速度得到特征致灾物的水体垂向位置、运动速度、与潮流流速的响应关系、起动流速阈值、特征致灾物的运动速度与水流速度的比值K。
[0006]优选的，所述建立近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：利用三维水动力数学模拟控制式建立三维水动力初始数学模型；所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，t为时间，σ=(z
‑
η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ
t
为垂向紊动粘性系数，υ
h
为水平紊动粘性系数，ρ0为海水参考密度，S为点源流量，u
s
为点源在东西向的水平速度分量，v
s
为点源在南北向的水平速度分量。
[0007]利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型。
[0008]进一步的，所述利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：当所述三维水动力初始数学模型输出的三维水动力模拟数值与近海电厂对应的实际海域数据的差值小于近似阈值时，输出三维水动力初始数学模型作为近海电厂对应的三维水动力数学模型；其中，近似阈值包括潮位误差为10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15
°
。
[0009]优选的，所述基于拉格朗日法建立特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型包括：当（u2+v2）不小于u
c2
时，所述特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型的计算式如下：
当（u2+v2）小于u
c2
时，所述特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型的计算式如下：其中，X，Y、Z分别为质点的平面与垂向坐标，t为当前时刻，Δt为计算时间步长，u、v、w为利用三维水动力模型模拟得到的x，y、z向流速、u
c
为特征致灾物的起动流速、w
s
为特征致灾物的沉降速度、K为特征致灾物的运动速度与水流速度的比值。
[0010]优选的，利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案模拟数值包括：利用近海电厂取水明渠的取水流量与排水流量输入三维水动力数学模型进行数值建模输出所模拟潮位、流速与流向数值；其中，数值建模为模拟不少于15天的大、中、小连续潮下的潮流场时间、空间过程，输出间隔小于30min。
[0011]优选的，根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量包括：在所述特征致灾物的高频率爆发位置每小时在相同位置间距小于100m投放控制性质点；利用三维水动力数学模型输出控制性质点对应的三维水动力模拟数据；利用控制性质点基于特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型得到控制性质点的时间
‑
运动轨迹；利用所述控制性质点的时间
‑
运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量。
[0012]优选的，所述根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量包括：在所述近海电厂取水明渠口门处投放间距不大于近海电厂取水明渠口门宽度的0.5倍的面域型质点；利用三维水动力数学模型输出面域型质点对应的三维水动力模拟数据；利用面域型质点基于特征致灾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，包括：S1、获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；S2、获取特征致灾物的基础水力特性数据，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据；S3、建立近海电厂对应的三维水动力数学模型；S4、利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型；S5、利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案的水动力模拟数值；S6、根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量；S7、根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；S8、根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案。2.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据包括：利用所述特征致灾物的密度、起动流速u
c
、沉降速度w
s
与随水运动速度得到特征致灾物的水体垂向位置、运动速度、与潮流流速的响应关系、起动流速阈值、特征致灾物的运动速度与水流速度的比值K。3.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述建立近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：利用三维水动力数学模拟控制式建立三维水动力初始数学模型；所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：所述三维水动力数学模拟控制式如下：其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，t为时间，σ=(z
‑
η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ
t
为垂向紊动粘性系数，υ
h
为水平紊动粘性系数，ρ0为海水参考密度，S为点源流量，u
s
为点源在
东西向的水平速度分量，v
s
为点源在南北向的水平速度分量；利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型。4.如权利要求3所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：当所述三维水动力初始数学模型输出的三维水动力模拟数值与近海电厂对应的实际海域数据的差值小于近似阈值时，输出三维水动力初始数学模型作为近海电厂对应的三维水动力数学模型；其中，近似阈值包括潮位误差为10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15
°
。5.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质
‑
质点追踪数学模型包括：当（u2+v2）不小于u
c2
时，所述特征致灾物性质
‑
质点...

【专利技术属性】
技术研发人员：解鸣晓，王恒，侯志强，严冰，李文丹，张静华，王程浩，魏燕杰，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：