核电厂取水对生物卷吸效应的影响计算

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核电厂取水对生物卷吸效应的影响计算

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 1848 0


前言

核电厂循环冷却水系统除对取排水区域的水环境可能造成污染外(热污染,低放污染),还可 能对水生物产生伤害。伴随着核电厂巨大的取水量而产生的卷吸效应是造成水生物死亡的主 要因素。特别是取水口附近存在水生物产卵场和索饵场的情况下,由于卵和幼鱼无游泳回 避 能力或游泳回避能力弱,这种卷吸效应的影响比较大。目前,我国对该方面的研究还处于起 步阶段,美国ORNL(橡树岭国立实验室)在70年代末至80年代初对核电厂取水产生的卷吸 效应进行了深入的研究,并采用数学模型对卷吸效应造成的结果模拟计算,计算结果用于评 价核电厂取水产生的卷吸效应的影响。对卷吸效应的评价着重于冷却水系统对水生物的卷吸数量,该量可以用卷吸率来表征。卷吸 率定义为取水口处运移物(水生物)的浓度与取水水量的乘积(核电厂取水卷吸的量)除以源 处产生运移物(水生物)的数量。显然,卷吸率大,核电厂循环冷却水系统产生的卷吸作用严 重,水生物损失相应也大;反之,水生物损失则小。卷吸效应涉及到水动力,物质输移和扩散,水生物特性等方面的知识,其机制是十分复杂的 。在实际应用中,为了便于模拟计算卷吸效应造成水生物的损失量,常常忽略水生物特性因 素的影响,将水生物看作是被动的,其在水中垂直方向上均匀分布,水平方向上的输移分布 则符合物质输移和扩散规律。这样,可以采用二维深度平均潮流运动方程和物质质量方程相 耦合的数学模型,对卷吸效应进行评价。

2 水动力计算

流场计算是卷吸率计算的基础,只有在流场模拟正确的情况下,计算得到的卷吸率才具有实 际意义。流场计算时可采用沿深平均二维潮流运动数学模型,这是由连续性方程和一组动量 守恒方程相耦合而成的。

连续性方程:

动量守恒方程:

上式中:x,y,t:水平坐标和时间坐标;

H:全水深;

ZB:水底到基准面的距离;

u,v:沿深平均流速在x,y两方向上的分量;

α:紊乱粘滞系数;

f:地转系数;

g:重力加速度;

Cf:阻力系数。

上述数学模型须满足以下条件:

(1)速度是沿水深平均的;

(2)水不可压缩且密度均一;

(3)大气压力定常,水面风作用忽略不计;

(4)水底应力可以参数化。

在已知边界条件和初始条件情况下,采用数值计算方法对该数学模型进行求解,得到计算卷 吸率所需的流场。求解该数学模型的数值计算方法很多,国内常用的是控制体积法,即在方 程离散时,时间采用前差,空间采用四边形交错网格,全水深H,x向速度u和y向速度v的计 算网格错开,将计算速度分量的网格点布置在计算全水深的控制体积的相应交界面上。显然 控制体积法是差分法的一种改进。美国ORNL在研究卷吸效应时,采用有限元方法进行水动力 计算。需要指出的是,在流场计算前,应该采用实测数据对数学模型及其中的参数进行标定,以确 保所用的数学模型合理,计算参数正确。只有这样,计算出的流场才可靠。

3 卷吸率计算

在流场已知情况下,将卷吸对象(幼鱼和卵)视作完全溶于水中的运移物。采用物质质量守恒 方程,求解运移物在水中的浓度分布,从而计算出卷吸率。

物质质量守恒方程:

式中:Dx,Dy:X,Y向扩散系数;Sc:源项。

这里的源项涉及到两个方面,在取水口位置,该值为被卷吸的运移物的数量,可用取水口处 的浓度与取水量的乘积(Si)来表征;在产卵场位置,该值为每单位面积,单位时间产卵的数 量(P)。

卷吸率定义为:

在建立以上描述运移物输移和扩散规律的数学模型时,用到了以下的假设条件:

(1)浓度在垂向上进行平均;

(2)模拟区域内扩散系数为常数;

(3)将被核电厂取水装置卷吸的水生物视作无游泳能力的运移物,仅随水流作被动运移,或 从高浓度向低浓度扩散;

(4)运移物的所有扩散特性均包含在扩散系数中。

在给定计算参数、初始条件和边界条件后,仍可采用控制体积法或有限元法对以上数学模型 进行求解,得出模拟区域内运移物的浓度分布,进而计算核电厂取水装置对水生物的卷吸率 。

我们对某核电厂的卷吸效应进行了计算,并分析了各种因素对卷吸率的影响。该核电厂取水 口位于半封闭海湾的湾口,湾内水动力条件弱,与湾外水交换条件差。在湾内(A区)、湾口( B区)和湾外(C区)选取三个区域作为模拟计算的产卵地,分别计算在不同的水动力强度(大潮 ,中潮,小潮)下,取水设施对这三个产卵地卷吸率的大小。模拟计算时间长度总共为40个 潮周期(约42天),每个潮周期的卷吸率均给出,每个计算时步为120秒。

计算结果表明水动力强度对卷吸率影响较大。强度大的潮在开始几个潮周期,卷吸率相对比 强度小的潮要大,但随着潮周期数的增加,强度大的潮的卷吸率增长幅度要比强度小的潮的 卷吸率增长幅度小,到一定的潮周期之后,强度小的潮的卷吸率反而超过强度大的潮的卷吸 率。以B区为例,第1个潮周期后,大潮的卷吸率为004,小潮的卷吸率为002;第5个潮 周期后,大潮的卷吸率为152,小潮的卷吸率为143;第10个潮周期后,大潮的卷吸率为 363,小潮的卷吸率为384;到第40个潮周期后,大潮的卷吸率为976,小潮的卷吸率 为1210。可见,第5个潮周期前大潮的卷吸率大于小潮的卷吸率;第5个潮周期之后,小潮 的卷吸率逐渐超过大潮的卷吸率。

潮强度大小对卷吸率的影响可以用物质输运规律来解释。当潮强度大的时候,运移物从产卵 区 到卷吸口的时间要快,因此短时间内强度大的潮卷吸的数量多。但随着潮周期数的增加,卷 吸口附近的运移物浓度会逐渐趋于平衡,此时,强度大的潮的平衡浓度要比强度小的潮的平 衡浓度要小。这是由于潮强度小时,运移物的输移速度慢,已到达卷吸口的运移物不易被输 移,浓度相应也大。因此,潮周期增加到一定程度,强度小的潮的卷吸率反而比强度大的潮 的卷吸率要大一些。计算结果还显示了潮周期对卷吸率的影响是很大的。无论何种计算条件,卷吸率均随潮周期 数的增加而增大,但增大幅度趋于平缓。

至于产卵场位置的影响可以从水动力强度和距取水口远近两方面来分析。A区位于湾内,虽 距取水口较远,但湾内水动力弱,与外界交换速度慢,物质不易往外输移,随着潮周期数的 增加,卷吸口附近运移物的浓度不断积聚,卷吸的数量也逐渐增加,卷吸率相应增大。C区 位 于湾外,水动力强,距取水口远,取水口附近运移物的浓度小,相应的卷吸率要小;位于湾 口的B区,一方面距取水口近,有利于取水装置对运移物的卷吸作用;另一方面,湾口水动 力强,有利于运移物向外输移。这两方面决定了B区的卷吸率要小于A区,但比C区大。

扩散系数对卷吸率也有一定的影响。计算结果表明,当扩散系数缩小5倍时,开始卷吸率减 小,到一定潮周期后,卷吸率反而增大。这种现象的机制与水动力强度对卷吸率影响相似。 本次计算得到,扩散系数缩小5倍时,第10个潮周期之后,卷吸率减小42%;但第40个潮周 期之后,卷吸率则增大36%。

4 结语

核电厂取水设施对水生物的卷吸效应是一个十分复杂的过程,在忽略水生物的

防渗膜标准名称为聚乙烯土工膜,主要是乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。聚乙烯是高分子聚合物,是无毒、无味、无臭的白色颗粒,熔点约为110℃-130℃,相对密度0.918—0.965;防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好,具有较高的刚性和韧性,机械强度好,耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好,随着密度的上升,机械性能和阻隔性能会相应提高,耐热,和抗拉强度也更高;可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。

生物特性情况 下,通过对实际条件进行一系列的简化,可以建立二维深度平均潮流运动方程和物质质量方 程相耦合的数学模型来模拟计算卷吸效应。显然这种计算与实际情况存在某些偏差,其主要 问题是数学模型忽视了水生物的主动性,将一个多因素影响的问题简化为简单的物理机械问 题。尽管如此,建立的数学模型还是能反映核电厂卷吸效应的强度,计算的卷吸率比实际的 要偏大,结果趋于保守,计算结果可用于对核电厂取水对水生物卷吸效应的评价。二维深度平均潮流运动方程和物质质量方程相耦合的数学模型计算卷吸率的关键是流场的计 算,只有将流场模拟正确,计算出的卷吸率才具有意义。水动力强度大小和产卵场距取水口 远近是影响卷吸率大小的两个主要因素,其它因素一般都通过这两个因素间接地起作用。


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