冷却塔热羽对核电厂周围流动与扩散影响的数值模拟研究

以某核电厂为研究对象,利用计算流体力学(CFD)方法研究了自然通风冷却塔对核电厂周围气流流动与污染物扩散的影响,并与风洞实验结果进行了比对,以验证模式有效性。结果表明:冷却塔背风侧,在近尾流区风速显著减小,湍流强度显著增大。冷却塔位于烟囱下风向时热羽排放对烟囱污染物扩散的影响较大,污染物通过冷却塔自然卷吸,出现二次排放现象,有热羽排放时的地面轴线扩散因子在1000 m前小于无热羽排放的。

潮汐应变对长江口北槽枯季湍流混合与层化的影响

利用TELEMAC-3D开展了长江口北槽2010年枯季条件下湍流混合与层化的有限元数学模拟研究。该模型在外海开边界设置了8个主要分潮,并在自由表面考虑了定常风的影响,利用北槽水域3个潮位站（横沙、北槽中、牛皮礁）和2个水文观测站（北槽中段CSW、北槽下段CS8）2010年枯季的潮位、流速及盐度观测资料对模型进行验证并获得了良好的精度,从而得到北槽水域纵向、平面流场和盐度场。模拟得到的流速、盐度被用来计算势能差异（φ）、势能差异变化率（φ/t）、Simpson数（Si）和梯度Richardson数（Ri）。结果显示：1）北槽水域大潮平均和小潮平均的势能差异的变化范围分别约为0～30 J/m3和0～90 J/m3,且较大的势能差异基本位于主航槽,这些表明北槽水体小潮的层化大约是大潮的3倍,主航槽的层化强于坝田区,而北槽中段往往具有更强的层化。2）落急时刻,就北槽下段而言,潮汐应变、潮汐与风共同搅动引起的势能差异变化率的范围分别约为-20×10-4～100×10-4W/m3、0～100×10-4W/m3,这些表明,从大潮至小潮,潮汐应变总体增强而潮汐与风共同搅动总体减弱。空间上,主航槽丁坝附近的潮汐应变明显强于坝田区,潮汐与风共同搅动的强度在坝田区内、外也存在差异,导堤和丁坝的影响明显。3）对于北槽下段CS8站,大潮至中潮的Si数在0.15～0.4之间（介于下临界值0.088和上临界值0.84之间）,表明潮汐与风共同搅动占优,属于应变致周期性层化（SIPS）。小潮的Si数在0.9～1.5之间（高于上临界值0.84）,表明潮汐应变显著增强并占优,属于持续性层化。4）北槽下段CS8站梯度Ri数的量级范围在混合较好的表层和底层约10-3～10-2,在层化较好的中间水层约100～101。该站湍动能耗散率的量级范围大潮为10-3～10-9W/kg,小潮为10-5～10-10W/kg,具有明显的M4周期性特征和涨、落潮不对称分布,且表层和底层分别由于风应力和底摩擦作用而具有较强的耗散,中间水层稳定层化区的耗散则显著减小,潮汐应变是造成湍动能耗散率在涨、落潮周期内不对称分布的重要因素。

长江河口北槽弯道横向次生流、混合与层化

2013年2月25至26日(枯季/大潮)、7月23至24日(洪季/大潮)分别在长江河口北槽弯道沿着3条横向测线CS6、CSW和CS3(每条测线上有北、中、南3个站位)测得水位、流速、盐度和含沙量的时间序列资料。通过这些资料的定量计算、分析,理解弯道横向次生流、混合与层化的时、空变化和各种物理机制及其相对重要性。3条横向测线均存在横向次生流,且横向测线CS3还出现横向次生环流。枯、洪季,仅在横向测线CS6、CS3出现环状欧拉余流。枯、洪季,沿着横向测线CS3,3个站位的横向斜压梯度比离心加速度和科氏加速度都大1~2个数量级,而后两项大小接近且数量级都是10-4,罗斯贝数在1左右。这些表明:横向次生流受横向斜压梯度、离心加速度和科氏加速度共同驱动,前一项相对于后两项更加重要。沿着3条横向测线:1)枯、洪季大潮,平均势能差异分别约为54.23、66.56 J/m3,表明洪季层化强于枯季;2)枯季涨潮,平均的势能差异普遍小于落潮,而洪季涨潮,平均的势能差异普遍大于落潮,表明枯、洪季湍流混合均存在潮汐不对称性;3)枯季,由横向、纵向水深平均应变(ΦS-y、ΦS-x)引起的势能差异变化率的范围分别是-67×10^(-3)~37×10^(-3)、-7×10^(-3)~11×10^(-3)W/m^3,而洪季,相应的范围分别是-45×10^(-3)~30×10^(-3)、-14×10^(-3)~13×10^(-3)W/m^3,表明枯、洪季差异不明显,横向水深平均应变(ΦS-y)均大于纵向水深平均应变(ΦS-x),前项对水体混合与层化的影响更大;4)枯季大潮,纵向平流(ΦA-x)、横向平流(ΦA-y)、纵向水深平均应变(ΦS-x)和横向水深平均应变(ΦS-y)的潮汐平均绝对值占四项总和之比例分别为26%、33%、18%和23%,而洪季大潮,相应的值的比例分别为13%、9%、22%和56%,表明枯季,平流项(ΦA-y最大)对混合与层化的控制可能占主导地位;洪季,应变项(ΦS-y最大)可能占主导地位。无量纲数(m)被用于判别横向平流(ΦA-y)、横向水深-平均应变(ΦS-y)的相对重要性。一个概念性模式被用于显示层化与横向次生流/环流的相互关系。

长江河口北槽弯道环流的涡度研究

基于ADCP走航观测得到长江河口北槽弯道附近3个横向断面(AD3、AD5和AD6)的流速资料,采用涡度方法,本文计算、分析了弯道环流与混合在垂直横向上的时空分布、影响因素及其重要性。3个横向断面上均存在由不规则界面分开的二层结构的横向环流。半拉格朗日余流的计算结果显示:(1)小潮期间,AD3、AD5和AD6断面呈现表层向海、底层向陆的纵向环状半拉格朗日余流;大潮期间,呈现表、底层均向海的纵向半拉格朗日余流;(2)小潮期间,AD3断面呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;大潮期间,AD3断面中间区域呈现表层向北导堤、底层向南导堤的、而断面两端区域则呈现表层向南导堤、底层向北导堤的横向环状半拉格朗日余流;(3)小、大潮期间,横向断面AD5和AD6均呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;(4)"纵向半拉格朗日余流"在–0.2—0.7m/s;横向半拉格朗日余流"在–0.15—0.2m/s;(5)纵向半拉格朗日余流在横向上有明显变化。对弯道环流的进一步分析表明:(1)斜压梯度、内部摩擦致混合和底部摩擦致混合这三项各自的纵向分量是驱动纵向环流形成的主要因素,"纵向动量的横向重新分布项"次之,离心力和地转的影响可忽略;(2)横向斜压梯度和内部摩擦致混合项是驱动横向环流形成的主要因素,离心力、地转和底部摩擦致混合次之;(3)横向环流可能通过"纵向动量的横向重新分布项"减弱纵向动量,从而可能减弱纵向环流。

长江河口北槽的周期性层化对潮流椭圆垂向结构的影响鏯

基于现场观测流速、盐度资料,通过采用整体理查森计算公式、潮汐调和分析理论,本项研究定量分析了长江河口北槽的周期性层化对M2半日分潮潮流椭圆垂向结构的影响。结果显示:小潮期间层化显著强于大潮,仅小潮出现密度跃层。在向陆端位于导堤和丁坝内的各站位,各层的潮流椭圆均退化为往复流形式;然而,在向海端位于导堤和丁坝外的站位,各层的潮流椭圆均呈顺时针旋转。小潮期间整体理查森数与表、底层潮流椭圆率之差呈现清晰的正线性相关关系,表明层化对潮流椭圆的垂向结构有显著影响。在向海端位于导堤和丁坝外的站位,小潮期间表、底层潮流椭圆倾角差达到约40°,而大潮为10°以下。小潮期间大多数站位的表、底层潮流椭圆相角差达到20°~50°,而大潮为10°以下,小、大潮周期性变化明显。潮流椭圆倾角和相角都在密度跃层处存在明显的垂向突变。在强层化的小潮期间,层化导致的密度跃层处垂向涡动粘性系数的剧烈衰减可能是潮流椭圆椭圆率、倾角和相角垂向变化的主要物理因素。

核应急放射性核素扩散三维实时仿真技术

事故后果评价是开展核应急响应的核心技术之一.传统的事故后果评价技术存在以下主要缺陷:放射性物质在大气环境中的输移扩散一般采用高斯烟羽/烟团、拉格朗日粒子等经验/半经验模型开展分析计算,模拟的时空分辨率低,且在有人工构筑物和复杂地形的条件下并不适用;福岛核事故后,水上核应急能力建设需求与日俱增,但目前国内外尚无成熟的基于经验/半经验计算模型的水上核事故后果评价技术,且传统的大气和地表水扩散模拟分析存在完全割裂的情况,难以准确评估大气放射性核素在水-气界面沉降等物理过程;基于计算流体力学(CFD)方法的事故后果评价技术可适应高时空分辨率的评价需求,但计算效率低、需求时间长也成为其在核应急领域推广应用的关键障碍.