溫排水物理模型實驗

劉 華

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

溫排水物理模型實驗是研究向河流中排放較河水水溫高的電廠表面的冷卻水引起的環(huán)境污染問題。研究熱量在傳輸過程中的時空分布情況，也就是受納水域的溫度場，研究電廠取排水口方案布置與優(yōu)化問題，提出具體的排水口方案和尺寸，并對電廠取水溫升進行預測給出溫排水的熱污染情況，從而解決由于水域溫度升高而引起的一系列環(huán)境污染問題。在條件許可的情況下，電廠總是利用自然水體冷卻排放出的廢熱。但火電廠的溫排水，如果溫度冷卻過慢或者受潮汐的影響，在排水口附近徘徊，就可能導致熱水直接回歸引起取水溫升較小，從而降低冷卻效果。

1 模型的設計

模型設計都以相似理論為基礎，但任何一種模型都不可能完全相似的再現(xiàn)原體，除非模型與原型比尺為1∶1，這時模型就失去了它的價值。試驗中須從具體情況出發(fā)，抓住主要影響因素，兼顧次要因素，并估計其影響，進而比較精確地反映所關注的問題。對于溫排水物理模型試驗，除了應滿足物理模型所要求的幾何相似，水流運動相似以外，由于水域中增加了溫度、鹽度變量，還應要求浮力相似和熱擴散相似。

1.1 重力相似

在具有自由面流動的模型試驗研究中，考慮到重力為主要作用力，以重力相似準則（又稱佛汝德模型定律）設計模型，即：

1.2 浮力相似

由于從電廠排出的溫水比河道中水的溫度要高，其水溫高，密度就小，產(chǎn)生分層流動，按照溫排水出流浮力相似，需滿足密度佛汝得數(shù)相等，即：

結合重力相似要求（1），則浮力相似要求變?yōu)椋?/p>

在模型試驗中，模擬介質通常為水，根據(jù)水的密度隨溫度變化規(guī)律，可得：（ΔT）r＝1，

即模型試驗中，要求模型中冷熱水溫差與原體相等。

1.3 熱平衡相似

由于溫排水模型中增加了溫度變量,不但要求流速場相似，而且要求溫度場相似，溫差的存在不僅有熱傳導效應，而且增加了水氣交面上熱交換，原體與模型的熱力運動應滿足熱平衡相似要求。

2 溫排水物理模型取排水口布置

溫水由排水口入注水域后,如水域基本上處于熱平衡狀態(tài),其所帶的廢熱有3條出路:①由排水口回歸進入取水口；②由水域的自由水面逸散大氣；③由上游來流帶出水域。為保障電廠安全運行，冷卻水要求低的取水水溫，取排水口布置就應盡量避免熱水直接回歸進入取水口，也就是要求盡量減小①，增大②③。總結以往的經(jīng)驗，取排水口布置方式主要有：

2.1 分列式

分列式是一種傳統(tǒng)的取排水方法，通過增加排取水口沿水流方向的間距，以避免熱水直接回歸。分列式取排水口布置，對取水口高程沒有嚴格的要求。但其輸入管道、渠道或防波堤投資較高，且取排水口占地面積較大。

2.2 差位式

差位式排取水口布置是將排取水口間距的著眼點,從隨水流方向的縱向間距轉移到垂直水流方向的法向間距上。利用這個法向間距，造成冷熱水流動途徑的分開，由排水口排放的熱水和抽入取水口的冷水各有其流動的范圍,出現(xiàn)基本上互不干涉的熱水流道和冷水流道。采用差位式取排水布置方法，可以消除受潮汐往復流影響而導致的熱水直接回歸的影響。

2.3 重疊式

所謂重疊式，就是在排水口下面的一定深度布置取水口，取、排水口的平面距離為零。它是利用水體溫度分層的現(xiàn)象，從底部抽取冷水，從表層排出溫水。溫排水在表層向四周擴散，而底部的冷水從各個方向流向取水口。

工程實際中，需根據(jù)具體的地形條件，考慮多方面綜合因素，選擇合理的取排水口布置方式。

3 溫排水物理模型設備

3.1 加熱控溫系統(tǒng)

溫排水物理模型試驗取排水系統(tǒng)包括取水、加溫和排水3個部分。具體由微型泵、調壓器控制的電加熱箱、浮子流量計、閥門、水溫控制軟件、專用接口電路和微機組成。用以上裝置來模擬真實電廠的溫排水時，取排水流量由浮子流量計和閥門控制，通過電加熱箱進行加溫，溫差由調壓器控制。調壓器通過調節(jié)電加熱器的電壓，進而調節(jié)電加熱箱兩端的溫度差。在微型泵工作過程中，取水流量出現(xiàn)變化時，可以通過調節(jié)閥門以保證取水流量在試驗要求的范圍內。為保證讀數(shù)的準確性，在每次接通取排水系統(tǒng)的電源后，要先通過閥門對其進行排氣，等讀數(shù)穩(wěn)定后在開始記錄。

3.2 溫度采集系統(tǒng)

模型水溫測量采用多點網(wǎng)絡式溫度記錄儀自動巡回檢測，測得的水溫精度可以達到±0.06℃，測溫探頭與微機相連，自動采集并對數(shù)據(jù)進行處理，對取水溫度和排水溫度進行實時監(jiān)控。測溫探頭安裝在自動跟蹤升降架上，隨著潮位的變化自動升降，其控制精度可以達到±2 mm。

4 影響溫升變化的因素

4.1 上游來流量對溫排水的影響

當上游來水流量大時，近岸流速較大，在排水口附近一定范圍內溫排水不能有效擴散，由于近岸流速大，溫排水來不及降溫就被來水帶走，形成長而窄的溫水擴散帶，反之形成短而寬的溫水擴散帶。

4.2 潮汐水對溫排水的影響

溫排水的溫升影響范圍主要在電廠附近的河段上下游。受潮汐非恒定水流的作用，溫排水運動特性比較復雜。溫排水的運動與河道的潮流密切相關，落潮時，溫水向下游擴散，漲潮時，溫水又向上游擴散。在一個潮周期內，溫水向上下游往復擴散。

5 結束語

通過溫排水物理模型實驗優(yōu)化取排水口布置方案以及研究溫排水對環(huán)境的影響。模型的設計除滿足幾何相似、水流運動相似以外，還需滿足溫排水模型特定的浮力相似和熱擴散相似要求。

[1]金琨、李振青.溫排水物理模型實驗中的幾個問題.水利水電快報，2006.1

[2]田淳、賈獻鋒、張曉艷.冷卻水工程物理模型實驗潮流模擬及熱力相似驗證，太原理工大學學報，2004.11