电厂虹吸井溢流堰跌水掺气试验与数值模拟研究

发布时间：2020-07-22 02:07

【摘要】：我国沿海地区分布有大量的火/核电厂,且普遍采用海水作为冷却水源的直流供水系统。由于海水潮位受季节和潮汐的影响会不断变化,电厂排水虹吸井溢流堰的跌水高度也会随之而改变。当外海潮位较低时,较大的跌水高度使得虹吸井溢流堰下泄水流产生较多的卷吸掺气,其中一部分气泡会随着水流漂向外海,并在一定条件下形成泡沫,造成视觉与嗅觉污染。随着我国核电建设的大力发展以及环境保护问题日益受到重视,电厂虹吸井排水消泡问题也越发重要并受到广泛的关注。对于电厂虹吸井消泡问题的研究,通常采用物理模型试验的方法。模型试验虽然可以直观反映掺气掺气情况,但存在缩尺影响,加之受到掺气浓度量测手段等的限制,因而难以获得可准确地反映工程实际的数值。与此相比,数值模拟方法理论上更加直观、有效,可以弥补上述的缺陷,但目前对于虹吸井消泡问题的数值模拟尚没有相关的研究与实践,对复杂的气、水两相流问题认识以及模拟方法等方面尚存在较大的困难以及局限性。本文依托工程实际,采用物理模型试验与数值模拟方法相结合的方式,对不同控制条件下虹吸井溢流堰跌水掺气变化规律进行了研究与探索。主要研究成果如下:(1)明确提出了虹吸井水流掺气问题的核心(重点关注对象)是堰后段水流漩滚消能过程中水体卷吸作用所带来的掺气效应;通过物理模型试验与数值模拟分析相结合的方式,总结分析了不同堰型、单宽过流量、跌水高度、堰后水深等对虹吸井堰后段水体掺气沿程变化规律等的影响。模拟研究成果较之以往更好地反映了工程实际情况,为虹吸井防泡、消泡设计原则的提出奠定了基础。(2)采用FLUENT中的VOF模型和标准k-ε模型首次探索性地开展了虹吸井溢流堰跌水掺气问题模拟计算工作,数值模拟计算与模型试验堰后段水体掺气沿程变化规律接近,既数模计算可以近似地反映虹吸井过堰水流跌水掺气影响的基本变化规律。模拟计算结果可为排水虹吸井消泡措施初步的优选提供参考依据。(3)基于物模试验与数模计算综合分析结果并参考类似工程实践经验,从电厂虹吸井防泡、消泡要求以及工程的经济性、可实施性角度,初步总结提出了虹吸井溢流堰型式、单宽过流量、跌水高度、堰后水深、堰后段长度等选择的基本原则或要求,为排水虹吸井消泡设计以及相应研究工作的顺利开展提供了参考依据,也为今后电厂排水虹吸井设计导则或规程的编制奠定了基础。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM62;TV65
【图文】：

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掺气水流一般分为自掺气水流和强迫掺气水流两种Ｗ，虹吸井溢流堰跌水掺强迫掺气水流。这种水流的特点是，水流的流速并不一定会很快，但常常面紊动与掺混。通常水流只在一定范围内掺气，水流远离扰动区后，掺杂的空逸出［５］。电厂虹吸井排水基本采用溢流堰跌水出流方式。跌落水体一般会经过程：①跌落时，水流与空气接触，水流下落过程会挟带一部分空气；②跌间相互掺混，在入射点和射流冲击点卷吸大量的气体；③水流冲击底板后折３逡逑

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辽宁红沿河核电厂排水消泡采取“闭气”、“弱化水流”等手段，将一级跌水改为多逡逑级跌水，每一级跌水的跌坎是上一级跌水的承接、消力池，即利用跌水形成的“水帘”逡逑来封闭下层流道，减小下级掺气量，见图１．４。试验结果表明：排水出流跌水的水帘效逡逑应有效地扩大了可兼顾消能、消泡要求的工作水位范围，在最低平均潮位与最高平均潮逡逑位间可较好地满足排水消能、消泡要求。同时，利用上层水体消力箱以及拦泡墙等的多逡逑重消泡、拦泡作用，可有效地解决水体中泡沫向下游漂移等问题。逡逑“水帘区＾Ｐ邋７川￣＂＾＝逡逑图１．４辽宁红沿河核电厂ＣＣ排水虹吸井布置图逡逑防城港核电厂排水消泡采用多级跌水与底孔出流相结合的方法，减少水流跌落过程逡逑产生的卷吸掺气，实现抑泡效果。但为了保证堰上水位，以及受到外海潮位的变化，底逡逑孔出流量大幅受限，跌水掺气不可避免，仍有大量的泡沫产生并被携带至外海，而且其逡逑９逡逑

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