海上平台温排水三维数值模拟研究

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风能作为一种可再生能源,取之不尽,用之不竭,并且在开发使用过程中不会产生较大污染。我国拥有丰富的风能资源,地理位置优越,合理开发利用风能资源对解决未来的能源枯竭和环境污染问题有重要意义。近几年来,我国海上风能得到了合理的开发和利用。对于远海的风电场,一般先将电能汇集到海上换流站,通过柔性直流输电输送到陆地换流站。在海上换流站工作过程中,一般采用就地取水的方式对机组进行直流冷却,然后再将温水向海洋中排放。温水向海洋环境的不合理排放,不仅导致海洋环境局部区域温度升高导致热污染,还在一定程度上影响海洋生物的生长,给海洋动植物的生存带来了威胁。因此,研究不同影响因素对海洋温度场的作用规律至为关键,对海上平台温水排放系统的设计有重要指导意义。本文在总结了国内外关于温水排放对海洋环境影响研究现状的基础上,通过建立海上平台冷却水排放三维数学模型,利用Fluent中的标准k-?湍流模型计算温度场,探讨了环境流速、温排水流速、排水管径、排水温度、排水角度以及双口排放对温度场的影响,总结了不同参数作用下温升包络面积随流速比的变化规律。本研究所得出的重要结论如下:(1)针对垂直单口(排水角度为90°)排放模型,对环境来流速度恒定时的不同工况进行模拟。研究表明:随着温水排放速度的增加,温升包络面积呈现“先减小后增加”的趋势,即存在一个最佳排水速度(称为“拐点速度”),使温排水对环境影响最小(对应“最小面积”);温升包络面积随排水管径的增加而增加;随着温水排放温度的增加,“拐点速度”增加,温升包络面积增加且变化幅度较大。对于本文模拟的温差为9℃的工况,“最小面积”所对应的流速比在6和7附近。(2)针对垂直单口排放模型,对温水排放速度恒定时不同参数作用下的工况进行模拟。研究结果表明:温升包络面积随着温水排放管径的增加而增加且变化幅度较大;随着温水排放温度的增加,“最小面积”增加且“最小面积”所对应的流速比不断增加。(3)温水排放角度对温升包络面积影响比较大,随着温水排放角度的增加,“最小面积”不断减小且“最小面积”所对应的流速比不断增加。在流速比变化范围为3-10的工况下,当排放角度为75°、60°和45°时,温升包络面积随流速比的增加呈现“先减小后增加”的趋势;当排放角度为30°时,温升包络面积随流速比不断增加。(4)针对垂直双口排放模型,通过改变管间距探究温水排放影响范围规律,对比发现:当管间距较小时,第一个排水口会对第二个排水口温升影响范围产生叠加作用;随着管间距的增加,第一个排水口对第二个排水口的影响会不断减弱;此外,低流速比时的叠加作用大于高流速比时的叠加作用。对于本文的模拟工况,管间距为2m时在高流速比作用下的叠加作用消失。
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