Введение к работе
Актуальность исследования. Необходимость в объективных знаниях о водных объектах связана, во-первых, с той ролью, которую они могут играть в технологическом цикле промышленных предприятий, во-вторых, с опасными воздействиями со стороны природных процессов в водоемах, угрожающими нормальному функционированию технических сооружений, в третьих, с необходимостью оценки техногенного воздействия на водные экосистемы.
Многообразие и сложность процессов, протекающих в водоемах и морях, приводит к необходимости разработки моделей и методов расчета характеристик водной среды для их практического использования.
Вышеозначенные модели необходимы для описания поведения этих объектов и ответа на конкретные вопросы проектировщиков и эксплуатационных служб.
Такими вопросами для водоемов-охладителей являются вопросы свя-
*
занные с оптимизацией теплового цикла АЭС, расчетом испарения и водного баланса, оценкой перегрева и влияния сброса нагретых вод на экосистему водоема.
Моделирование термогидродинамического режима водоемов-охладителей атомных и тепловых электростанции и прогнозирование испарения с их поверхности является неотъемлемой частью проектирования. Данные объекты энергетики, производящие огромное количество электроэнергии на каждый агрегат, имеют коэффициент полезного действия менее 40 процентов, и, таким образом, на каждую единицу производимой электроэнергии сбрасывается несколько единиц в окружающую среду, в частности, в водоемы охладители.
Теплая вода, нагретая в рабочих контурах станции, сбрасывается в водоем-охладитель, охлаждается и снова забирается. Для нормальной работы силовых агрегатов необходимо, чтобы температура забираемой воды была
не просто ниже критических значений, но и имела минимально возможную' величину, что повышает коэффициент полезного действия и приводит к увеличению срока службы узлов и агрегатов станции.
Кроме этого, вопрос распределения температуры в водоеме-охладителе важен и по другой причине. Водоемы-охладители часто используются одновременно для многих целей. Значительное повышение температуры в естественном водоеме может привести к необратимым изменениям в количественном и качественном составе обитающих в водоеме популяций растений и животных. Кроме этого может изменится и минеральный состав солей, содержащихся в воде. Дополнительные тепловые нагрузки на водоем-охладитель приводят к увеличению испарения с его поверхности, и, таким образом, к изменению водного баланса территории прилегающей к энергетическому объекту.
В последнее время уделяется большое внимание освоению шельфа, в частности, с целью добычи полезных ископаемых, в первую очередь газа, газоконденсата и нефти. Планируется возведение различных гидротехнических сооружений в шельфовой области морей (платформы, эстакады, отдельные основания, подводные трубопроводы). Экономически выгодно и технически целесообразно проектировать и строить морские гидротехничсекие сооружения возможно только располагая достаточно полными и достоверными сведениями о тех условиях, в которых эти сооружения будут работать.
Для осуществления такого оптимального проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических объектов необходима разработка математических моделей, которые дают возможность определять воздействие гидродинамических воздействий на сооружения, а также получать оценки влияния технических объектов на окружающую среду.
Цель исследования. Настоящее исследование посвящено:
разработке математических моделей для описания термогидродинамических процессов во внутренних водоемах и окраинных морях;
построению эффективных численных методов их решения;
проведению расчетов для ряда конкретных объектов, с целью выяснения возможностей рассматриваемых моделей по описанию состояния выбранных объектов и ответа на конкретные практические запросы. Основными объектами исследования в настоящей работе являлись:
водоемы-охладители, которые играют важную роль в технологическом цикле производства энергии атомных электростанций (АЭС);
северные шельфовые окраинные моря и заливы, описание поведения которых и получение характеристик природной среды необходимо при сооружении различных конструкций на шельфе в связи с разработкой нефтяных и газовых месторождений.
В работе проводится рассмотрение двух моделей:
двумерная продольно-вертикальная модель (осредненная по ширине водоема) термогидродинамических процессов,
трехмерная баротропная модель приливных явлений.
Эти модели были разработаны и применены для рассмотрения процессов в ряде конкретных объектов: - водоемах-охладителях Курской и Калининской АЭС, в заливах Карского моря - Байдарацкой и Обской губах.
Вышеозначенные модели были разработаны для описания поведения этих объектов и ответа на конкретные вопросы проектировщиков и эксплуатационных служб.
Научная новизна. В диссертационной работе:
-
Разработана двумерная продольно-вертикальная модель гидродинамических, термохалинных и ледовых процессов в водоемах, в которой учитываются тепловой и водный обмен с атмосферой на поверхности, процессы турбулентного перемешивания, сложная геометрия водного объекта, нелинейность и нестационарность рассматриваемых явлений;
-
Построена консервативная по теплу и массе разностная схема для решения системы уравнений двумерной модели с изменяющейся по времени областью решения; .
-
Разработана схема расчетов по двумерной модели водоемов сложной
формы, состоящих из нескольких связанных русел, в этой схеме отдельно производятся расчеты для каждого звена, а затем осуществляется обмен импульсом, теплом (соленостью) и массой между отдельными составляющими с обеспечением законов сохранения. Описываемая схема реализована в виде комплекса программ для ПЭВМ;
-
Построена трехмерная модель приливных течений;
-
Разработана численная схема для решения системы уравнений трехмерной модели;
-
Создан набор программ, реализующий численный метод и схемы расчетов;
Практическая ценность. По рассматриваемым моделям проведены расчеты термогидродинамических процессов для ряда объектов:
получены поля скорости и температуры для водоема охладителя Курской АЭС в течение летнего периода, на основе которых был определен оптимальный режим сброса нагретых вод, который не нарушает экологические нормы и не допускает возникновения перегрева вод;
-проведены расчеты термогидродинамических полей в водоеме охладителе Калининской АЭС, определены расходы на испарение и другие составляющие водного баланса при различных режимах функционирования агрегатов, полученные данные являются важными при определении допустимости введения дополнительных энергетических мощностей;
проведены расчеты термохалинных полей в Байдрацкой губе, практическую значимость имеет получение поля придонной температуры в связи с проектом прокладки системы магистральных трубопроводов и проблемой растепления вечномерзлых грунтов;
проведены расчеты приливных колебаний уровня и течений в Байда-рацкой губе по трехмерной модели, полученные гидродинамические характеристики необходимы для расчета переноса загрязнений в губе при осуществлении строительных работ, для решения задач переноса
взвесей при определении скорости размывания берегов и дна и для определения устойчивости проектируемого трубопровода;
получены приливные характеристики (скорости течений и поля уровня)
и распределение солености в Обской губе для обеспечения проектов
обустройства газоконденсатных месторождений.
Апробаций работы. Положения и выводы, сформулированные в диссертации, обоснованы и получили квалифицированную апробацию при выполнении конкретных работ в ряде организаций.
Расчеты для водоема охладителя Курской АЭС выполнялись по заказу Атомэнергопроекта, которому передано разработанное программное обеспечение. Результаты проведенных исследований отражены в соответствующих отчетах 1994-1995гг.
Моделирование процессов в водоеме-охладителе Калининской АЭС выполнялось в рамках темы обоснования воздействия на окружающую среду. Результаты включены в отчеты Института Водных проблем РАН и Атомэнергопроекта.
Исследование явлений в Байдарацкой и Обской губах выполнялись в рамках научно-исследовательской программы РАО "Газпром" "Разработка научных основ для проектирования технологических, природоохранных и технических решений по обустройству Бованенковского и Харасавейского месторождений и строительству системы магистральных газопроводов Ямал-Центр". Работа проведена по заказу ИПО Эко-Система. Её результаты отражены в отчетах этой организации за 1992, 1996, 1997гг. - Полученные результаты доложены на ряде международных конференций:
6-й международной конференции по прибрежным полярным техническим сооружениям в США, Лос-Анжелес, май 1996г.;
7-й международной конференции по прибрежным полярным техническим сооружениям в США, Гонолулу, май 1997г.;
на конференции "Бордомер-97" по теме "Управление и сохранение ок-
с ружающей прибрежной среды", Бордо, Франция, 1997г.;
на 3-ей международной конференции "Освоение шельфа Арктических
морей России. РАО-97", Санкт-Петербург, 1997г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13-ти работах как в российских, так и в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, списка литературы из 98 наименований. Основной текст занимает 81 страницу. В работе имеется 32 рисунка.
