溫排水物理模型實(shí)驗(yàn)

劉 華

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

溫排水物理模型實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)行預(yù)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(dǎo)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(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)都以相似理論為基礎(chǔ)，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(shí)模型就失去了它的價(jià)值。試驗(yàn)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(jì)其影響，進(jìn)而比較精確地反映所關(guān)注的問題。對于溫排水物理模型試驗(yàn)，除了應(yīng)滿足物理模型所要求的幾何相似，水流運(yùn)動(dòng)相似以外，由于水域中增加了溫度、鹽度變量，還應(yīng)要求浮力相似和熱擴(kuò)散相似。

1.1 重力相似

在具有自由面流動(dòng)的模型試驗(yàn)研究中，考慮到重力為主要作用力，以重力相似準(zhǔn)則（又稱佛汝德模型定律）設(shè)計(jì)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(dòng)，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(jié)合重力相似要求（1），則浮力相似要求變?yōu)椋?/p>

在模型試驗(yàn)中，模擬介質(zhì)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(yàn)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(dǎo)效應(yīng)，而且增加了水氣交面上熱交換，原體與模型的熱力運(yùn)動(dòng)應(yīng)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(jìn)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(yùn)行，冷卻水要求低的取水水溫，取排水口布置就應(yīng)盡量避免熱水直接回歸進(jìn)入取水口，也就是要求盡量減?、?，增大②③。總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)，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(yán)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(diǎn),從隨水流方向的縱向間距轉(zhuǎn)移到垂直水流方向的法向間距上。利用這個(gè)法向間距，造成冷熱水流動(dòng)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(dòng)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(fù)流影響而導(dǎo)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(kuò)散，而底部的冷水從各個(gè)方向流向取水口。

工程實(shí)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(shè)備

3.1 加熱控溫系統(tǒng)

溫排水物理模型試驗(yàn)取排水系統(tǒng)包括取水、加溫和排水3個(gè)部分。具體由微型泵、調(diào)壓器控制的電加熱箱、浮子流量計(jì)、閥門、水溫控制軟件、專用接口電路和微機(jī)組成。用以上裝置來模擬真實(shí)電廠的溫排水時(shí)，取排水流量由浮子流量計(jì)和閥門控制，通過電加熱箱進(jìn)行加溫，溫差由調(diào)壓器控制。調(diào)壓器通過調(diào)節(jié)電加熱器的電壓，進(jìn)而調(diào)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(shí)，可以通過調(diào)節(jié)閥門以保證取水流量在試驗(yàn)要求的范圍內(nèi)。為保證讀數(shù)的準(zhǔn)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(jìn)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)式溫度記錄儀自動(dòng)巡回檢測，測得的水溫精度可以達(dá)到±0.06℃，測溫探頭與微機(jī)相連，自動(dòng)采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對取水溫度和排水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。測溫探頭安裝在自動(dòng)跟蹤升降架上，隨著潮位的變化自動(dòng)升降，其控制精度可以達(dá)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(dāng)上游來水流量大時(shí)，近岸流速較大，在排水口附近一定范圍內(nèi)溫排水不能有效擴(kuò)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?dāng)U散帶，反之形成短而寬的溫水?dāng)U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(yùn)動(dòng)特性比較復(fù)雜。溫排水的運(yùn)動(dòng)與河道的潮流密切相關(guān)，落潮時(shí)，溫水向下游擴(kuò)散，漲潮時(shí)，溫水又向上游擴(kuò)散。在一個(gè)潮周期內(nèi)，溫水向上下游往復(fù)擴(kuò)散。

5 結(jié)束語

通過溫排水物理模型實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)除滿足幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似以外，還需滿足溫排水模型特定的浮力相似和熱擴(kuò)散相似要求。

[1]金琨、李振青.溫排水物理模型實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)問題.水利水電快報(bào)，2006.1

[2]田淳、賈獻(xiàn)鋒、張曉艷.冷卻水工程物理模型實(shí)驗(yàn)潮流模擬及熱力相似驗(yàn)證，太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.11