(中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司广西南宁530007)
摘要:考虑到排水明渠与虹吸井可能受出水口波浪影响，按浪涌对出水口附近水位波动的最不利情况进行排水明渠水流计算，以确定排水明渠与虹吸井高程相关参数及分析排水明渠内水流状态。
关键词:明渠浪涌水流数模分析
1.水文资料
电厂海域潮汐特征值如下（基面采用平均海平面MSL）：最低潮位：-1.70m；最高潮位：2.50m；水尺零点：-2.35m。从潮位过程图线看最大潮差小于3m，半日潮显著。小潮期全日潮成分强，一天只出现一次涨、落。
定点进行了波浪观测。测量期间最大波高1.08m，对应周期15秒；有效波高0.328m，周期5.06秒；平均波高0.202m，周期3.57秒。常浪向为E向，占33.72%；SE向浪占25.78%；S向浪12.78%；SW向浪点8.59%；EN向浪8.07%；少量波浪来自西北和西向。
2.工程概况
本工程规模为2×110MW燃煤发电机组，采用海水冷却直流循环水系统，正常设计工况为一机两泵，单台循环水泵流量为3.2m3/s。凝汽器冷却水进入虹吸井后，先经过一段暗沟，再汇入排水明渠，最终由排出口排入大海。暗沟断面为边长2m正方形，每台机组对应一座虹吸井，虹吸井堰顶标高2.95m，堰上水头3.95m，共有两条暗沟接入明渠，两台机组共用1座排水明渠。本工程设计总排水流量为12.8m3/s(46080m3/h)。设计高水位1.7m(MSL，下同)，常水位±0.0m，设计低水位-1.7m，洪水位2.50m。
根据排水流量和暗沟截面积计算知，暗沟内平均流速可达1.6m/s。明渠长约500m，其中有一拐弯。拐角往入海口段长约423m。除了明渠首、尾端有局部放宽段外，沿程基本为矩形断面，底宽4m，底坡1.6‰，明渠内平均流速可达1.43m/s。
考虑到排水明渠与虹吸井可能受出水口波浪影响，按浪涌对出水口附近水位波动的最不利情况进行排水明渠水流计算，以确定排水明渠与虹吸井高程相关参数及分析排水明渠内水流状态。
3.计算要求
排水渠与虹吸井连接暗沟出水可能受波浪影响，设计部门为确定虹吸井相关高程参数需要进行排水渠水流计算。
按最不利情况进行计算，确定波浪对暗沟出水口附近水位波动情况。
4.计算方案
波浪在明渠中的传播受到水流流速和明渠壁面（包括底部）影响，拐弯处还将有反射影响。波浪进入明渠时往往还需要考虑入射方向的差别，由于缺乏有效的验证资料，采用常规波浪模型计算时参数难以准确取值。拟采用水流数学模型进行波动水位和明渠出流的模拟计算，明渠入海口采用强迫波动水位控制计算。虹吸井暗沟入汇时，如遇波浪引起水面抬高，其出流会减缓，相应地虹吸井内的水位会有抬高，从而增强后续时段内的出流能力。拟采用短管水力计算暗沟入汇流量。
明渠入海口强迫波动水位采用余弦波控制，振幅取最大波高1.08m，周期15秒，波动中水位取设计高水位1.70m及洪水位2.50m。
5.平面二维潮流数学模型
选用正交曲线坐标系下的平面二维潮流数学模型进行模拟计算。
5.1数学模型的方程及算法
5.1.1基本方程
正交曲线坐标系下的水流基本方程如下：
5.1.3数值计算方法
微分方程离散时，时间采用前差分格式，空间采用交错网格的中心差分格式。
数值求解采用ADI法，该方法的网格剖分、差分格式及算法已被录入《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》。
二维数值计算采用ADI法，把一个时间步长分成两步进行，前半步隐式计算方向流速分量及潮位，显式计算方向流速分量；后半步隐式计算方向流速分量及潮位，显式计算方向流速分量。该方法理论成熟、计算效率高、稳定性好，在工程数值模拟计算中得到了广泛应用。
5.2数学模型范围及参数处理
5.2.1计算范围确定及网格剖分
取整个排水明渠段为计算域，网格剖分采用变步长技术，使横向步长小于纵向步长，计算网格数441×112，空间步长介于0.33m~1m，网格示意图如下。
5.2.4其它参数
紊动粘性系数，该参数取值在一定范围内均可以获得良好结果，与网格步长及当地潮流特性有关，采用Smagorinsky公式[2]计算，使其随网格尺度及水流动力强弱自动调整，避免紊动扩散项过大引起流场失真又能增强模型稳定性。模型主要计算参数见下表-模型参数采用表。
6.计算成果分析
排水渠沿程标高取设计值，计算域地形示意见下图：
计算表明，即使排水渠口门处水位波动程为实测最大波高连续作用，其波动影响也不能传达虹吸井出水位置。
渠口波幅1.08m的强迫波动在往渠内传播时，受沿程阻力损耗及外排冷却水的顶冲综合作用，波动过程不能传播到渠道拐弯位置。从沿程波动幅度衰减示意图可见，自渠口进入渠道后，以渠口收缩段前波动幅度有所减小，在收缩段波幅可增加到1.20m左右，传达距渠口300m时，最大波动幅度小于0.03m。
7、结论分析
通过以上实例研究分析，对于火力发电厂（特别是滨海电厂）的循环水排水明渠水流数值计算。了解了排水明渠与虹吸井高程相关参数及分析排水明渠内水流状态，为循环水排水明渠设计、运行积累了一定的理论、经验基础，对于以后火力发电厂循环水排水明渠的设计、运行优化有着重大的意义。
参考文献
张洪生《曲线坐标系下非均匀水流中波浪传播的数值模拟》《上海交通大学学报》2003年08期