冷卻塔熱羽對核電廠周圍流動與擴散影響的數值模擬研究

摘 要：以某核電廠為研究對象，利用計算流體力學（ CFD） 方法研究了自然通風冷卻塔對核電廠周圍氣流流動與污染物擴散的影響，并與風洞實驗結果進行了比對，以驗證模式有效性。結果表明：冷卻塔背風側，在近尾流區風速顯著減小，湍流強度顯著增大。冷卻塔位于煙囪下風向時熱羽排放對煙囪污染物擴散的影響較大，污染物通過冷卻塔自然卷吸，出現二次排放現象，有熱羽排放時的地面軸線擴散因子在1 000 m 前小于無熱羽排放的。

關鍵詞：冷卻塔;熱羽;流場;濃度場;數值模擬

中圖分類號：X169 文獻標識碼：A

隨著核電的發展，絕大多數內陸核電廠址采用冷卻塔二次循環散熱方式，會產生大量的熱羽并排放到環境中，對污染物擴散產生一定的影響。高大冷卻塔自身增加了下墊面復雜性，影響大氣流動及污染物的遷移擴散。此外，冷卻塔運行時排放的熱羽在水平及垂直方向擴散，會對周圍氣流的流動產生一定的影響，繼而影響煙囪排放污染物的遷移擴散。

隨著計算機技術的發展， 計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）已被應用到大氣環境污染物擴散模擬研究中。與風洞實驗相比，CFD 具有時間短、成本低以及實驗條件可控等優點。Takata 等[1] 用CFD 技術模擬風對濕式冷卻塔霧羽可見范圍的影響， 并取得較好的結果。Meroney[2] 用CFD 技術模擬美國Chalk Point 電廠冷卻塔霧羽的抬升與漂滴沉積規律，并用相應的現場示蹤試驗數據對模擬結果進行了驗證，結果表明CFD 技術能夠較好地預測冷卻塔霧羽的抬升與漂滴沉積規律。Corti 等[3] 利用靜態高斯模型，研究了冷卻塔濕熱羽可能對局地大氣環境濕度和降雨的影響。郭棟鵬等[4] 使用湍流模型與拉格朗日離散粒子法（discrete particle method，DPM）模型相結合的方法，研究了冷卻塔霧羽抬升和漂滴沉積規律，并將風洞試驗結果、CFD 模擬結果與國外相關風洞試驗結果進行對比分析，結果表明風洞試驗方法和CFD 技術均能有效地模擬冷卻塔霧羽的抬升與彌散以及漂滴的沉積規律。沈亞東[5] 對某廠自然通風海水冷卻塔飄滴沉積進行了四次現場監測，結果表明冷卻塔鹽沉積量與風向和風頻密切相關。郭棟鵬等[6-7] 開展了核電廠冷卻塔水汽擴散影響因素的分析，應用STAR-CD 研究了冷卻塔濕熱羽的抬升規律，并基于 Chalk Point 電廠的觀測數據對計算結果進行了驗證，研究結果表明，影響冷卻塔濕熱羽擴散的主要因素為環境溫度，其次為環境濕度，冷卻塔水汽的內部溫度影響較小。蔡旭暉等[8] 開展了冷卻塔對大氣擴散影響的數值模擬。王博等[9] 采用 Fluidyn-Panache 軟件k-ε 模型研究了內陸核電廠大型自然通風冷卻塔對氣載放射性核素的影響。

本文以某核電廠為研究對象，利用計算流體力學方法研究自然通風冷卻塔熱羽對核電廠周圍氣流流動與污染物擴散的影響，并與風洞實驗結果進行比對，以驗證模式有效性。

1 數值模擬

采用基于開源的場運算和操作軟件工具OpenFOAM （ open-source field operation andmanipulation）開發的CFD 程序，能夠針對特定核電廠構筑物的布置和地形自動生成計算模型，收斂效果好，并修正了OpenFOAM 的一些已知錯誤，增加了新的物理模型。