представлені результати математичного моделювання гідродинаміки, теплообміну і розвитку фітопланктону в типовому водоймі-охолоджувачі теплової електричної станції в різні пори року. Досліджено режими змішаної конвекції і фотосинтетична здатність фітопланктону у відкритому водоймищі для різних термічних періодів. Отримано розподіли гідродинамічних параметрів, температур і визначена фотосинтетична здатність фітопланктону у водоймі-охолоджувачі ТЕС в різні пори року. Встановлено, що структура течій в різні пори року істотно не змінюється, а в відкритому водоймі-охолоджувачі навіть в зимовий період фотосинтетична активність біопланктона достатня для біологічного забруднення води до рівня, що перевищує допустимий.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Кузнецов Геній Володимирович, Литвак Валерій Володимирович, Максимов В'ячеслав Іванович


The results of mathematical simulation of hydrodynamics, heat exchange and phytoplankton occurrence in typical basin-cooler of thermal station in different seasons have been given. Mixed convection modes and phytoplankton photosynthetic property in open basin for different thermal periods were studied. Distribution of hydrodynamic parameters, temperatures were obtained and phytoplankton photosynthetic property in TS basin-cooler in different seasons was determined. It was ascertained that flow structure in different seasons does not change significantly and in open basin-cooler bioplankton photosynthetic activity is considerable even in winter for water pollution to the level exceeding the acceptable one.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання процесів біологічного забруднення технологічних водойм теплових електричних станцій'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання процесів біологічного забруднення технологічних водойм теплових електричних станцій»

    ?СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Ісаченко В.П. Теплопередача. - М .: Енергія, 1975. - 488 с.

    2. Мурин Г.А. Теплотехнічні вимірювання. - М .: Енергія, 1979.

    - 364 з.

    3. Бахтін А.Г., Смердов А.А, Таїрова Л.П. Моделювання термонапруженого стану композитних відсіків і обтекателей ракет-носіїв на зразках // Ракетно-космічна техніка. Фундаментальні та прикладні проблеми механіки: Матер. Міжнар. наукової конф., присвяченій 90-річчю В.І. Феодосьева. - М .: Изд-во МГТУ ім. Н.е. Баумана, 2006.

    - С. 144.

    4. Баранов А.Н., Давидова В.В., Попова Т.А. і ін. Методичні похибки вимірювання термопарами температури тонко-

    стінний металевої конструкції // Праці ЦАГІ. - 2004. - Вип. 2658. - 80 с.

    5. Вержбицький В.М. Основи чисельних методів. - М .: Вища школа, 2002. - 840 с.

    6. Геращенко О.А., Городов А.Н., Лах В.І. та ін. Температурні вимірювання: Довідник. - Київ: Наукова думка, 1984. - 494 с.

    7. Таблиці фізичних величин: Довідник / За ред. І.К. Кикоїна. - М .: Атомиздат, 1976. - 1005 з.

    8. Довідник по електротехнічним матеріалам / Ред. Ю.В. Корицький. - М .: Вища школа, 1987. - Т. 2. - 464 с.

    Надійшла 11.03.2009 р.

    УДК 536.2: 532.5

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ БІОЛОГІЧНОГО ЗАБРУДНЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВОДОЙМ ТЕПЛОВИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ

    Г.В. Кузнецов, В.В. Литвак, В.І. Максимов

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Представлені результати математичного моделювання гідродинаміки, теплообміну і розвитку фітопланктону в типовому водоймі-охолоджувачі теплової електричної станції в різні пори року. Досліджено режими змішаної конвекції і фотосинтетична здатність фітопланктону у відкритому водоймищі для різних термічних періодів. Отримано розподіли гідродинамічних параметрів, температур і визначена фотосинтетична здатність фітопланктону у водоймі-охолоджувачі ТЕС в різні пори року. Встановлено, що структура течій в різні пори року істотно не змінюється, а в відкритому водоймі-охолоджувачі навіть в зимовий період фотосинтетична активність біопланктона достатня для біологічного забруднення води до рівня, що перевищує допустимий.

    Ключові слова:

    Математичне моделювання, гідродинаміка, теплообмін, змішана конвекція, фотосинтетична здатність фітопланктону, водойма-охолоджувач теплової електричної станції, біологічне забруднення.

    1. Введення

    Істотний вплив на техніко-економічні показники теплових електростанцій надає ефективність роботи систем технічного водопостачання, що забезпечують охолодження конденсаторів турбін. В даний час для більшості Російських ТЕС в якості охолоджувачів використовуються природні і штучні водойми [1]. Для ефективного охолодження води, такі водойми мають велику вільну поверхню і невелику глибину (3 ... 7 м). Середня температура води (незалежно від пори року) досягає 25 ... 30 ° С [2]. З цих причин у водоймах-охолоджувачах створюються умови, які в значній мірі впливають на його гідробіологічне стан - з одного боку прискорюючи біологічні процеси, з іншого - створюючи селективні умови для виживання певних груп організмів [3, 4]. Дисбаланс надходження і виносу органічних речовин з водойми-охолоджувача приводить до посиленого розвитку окремих представників гідробіонтів і заростання вищої

    водною рослинністю [3-6]. У його екосистемі щорічно збільшуються площі заростання вищою водною рослинністю, а також цвітіння води представниками синьо-зелених водоростей. Ефективність таких водойм-охолоджувачів помітно знижується і з'являється необхідність вживати додаткових заходів для боротьби з бактеріями і водоростями, а також проводити заходи з очищення водойми, що може призводити до тимчасової зупинки технологічного процесу [7]. Інтенсивна боротьба з бактеріями також призводить до екологічного забруднення навколишнього середовища.

    Для того що б спрогнозувати розвиток спільнот фітопланктону і бактеріальних спільнот водойм виникає необхідність використання методів математичного моделювання. Використання таких методів для аналізу прісноводних екосистем набуло широкого поширення [8-10]. Проте, моделей екосистем водосховищ відомо порівняно небагато [6, 9]. Дослідження не можуть тим, що дуже часто

    штучні водойми ТЕС є екосистеми, які не досягли стану гомеостазу-са, що знаходяться в стадії розвитку і піддаються постійному антропогенному впливу [6, 8]. У цій ситуації математичні моделі, що дозволяють не тільки спрогнозувати екодінамікі водойм, а й перевірити конкретні альтернативні гіпотези щодо принципів функціонування їх екосистем, набувають особливої ​​цінності. При розробці математичних моделей потребує ретельного аналізу комплексу чинників, що визначають умови функціонування водних екосистем і враховують такі процеси [6]:

    1. Екологічні, що описують біогідрохіміческіе кругообіг речовин і енергії в екосистемах.

    2. Гідрологічні, що характеризують перенесення води, біоти і розчинених речовин у водоймах в залежності від їх надходження, з водозбору і процесів зовнішнього водообміну.

    3. Гідродинамічні, що визначають структуру потоків і розподілу речовин в екосистемах.

    4. Антропогенні, що задають навантаження на водоймах, вплив на них в результаті діяльності ТЕС.

    5. Гідрометеорологічні, що характеризують умови перемішування »водних мас і їх перенесення всередині водойм.

    В даний час математичних моделей такого рівня в Росії і за кордоном немає.

    Метою даної роботи є чисельне моделювання змішаної конвекції, розвитку фітопланктону і бактеріальних спільнот в типовому відкритому водоймі-охолоджувачі теплової електричної станції.

    2. Фізична модель

    Розглядається протягом нестискуваної в'язкої рідини і теплообмін в порожнині має дві вертикальні, одну горизонтальну стінки кінцевої товщини і одну вільну поверхню, з двома ділянками введення і виведення рідини. На зовнішніх кордонах області задані неоднорідні граничні умови. Неоднорідність обумовлена ​​різними теплофізичними характеристиками середовищ і умовами теплообміну на кордонах області рішення. Відтік маси з верхньої межі за рахунок випаровування не враховується, так як інтенсивність цього процесу не настільки велика, щоб він міг змінити конфігурацію порожнини заповненої водою, або її розміри.

    При моделюванні процесів біологічного забруднення передбачається, що основний вплив на розвиток фотосинтезу надають такі чинники як освітленість, температура і швидкість переміщення водного середовища [6]. Річний термічний

    цикл водосховищ розпадається на чотири періоди, якісно відмінних один від одного [4]. Періоди поділяються за порами року: весняний, осінній, зимовий, літній. Основні відмінності цих періодів це температура навколишнього середовища і освітленість. Так як температура навколишнього середовища істотно впливає на гидротермічні процеси у водоймі, а освітленість впливає на біопланктон, то проводиться моделювання змішаної конвекції рідини і фотосинтезу у водоймі-охолоджувачі для всіх періодів. Прогнозується розвиток найбільш типових представників фітопланктону прісноводної екосистеми синьо-зелених водоростей. Вони ж є і основними біологічними забруднювачами водойм-охолоджувачів теплових електростанцій.

    3. Математична модель і метод розв'язання

    Процес перенесення маси, кількості руху і енергії описується системою нестаціонарних рівнянь Нав'є-Стокса для рідкої фази і рівнянням теплопровідності для твердої фази [11, 12]. Завдання вирішувалася в безрозмірною постановці.

    Для приведення системи рівнянь нерозривності, руху і енергії до безрозмірного вигляду використовувалися наступні співвідношення:

    X =?, 7 = У, Т = 1, і = і, до = -1,

    ь ь ^ ки до

    ДТ 'ф0'

    ДТ = Тп - Те, Уо = КпЬ, ®0 = р

    де х, у - розмірні координати; Х, У-безрозмірні координати, відповідні х, у; Ь - довжина порожнини по осі х; - масштаб часу; т - безрозмірний час; «, V - швидкості по осях х, у відповідно; і, V - безрозмірні швидкості, відповідні і, V; V? N - масштаб швидкості (швидкість рідини на вході); 0 - безрозмірна температура; Т0 - температура рідини і твердого тіла в початковий момент часу; ТПП - температура рідини на вході; у - функція струму; у0 - масштаб функції струму; Т - безрозмірний аналог у; а -віхрь швидкості; а0 - масштаб вектора швидкості; Про - безрозмірний аналог а.

    Відповідно безрозмірні рівняння Нав'є-Стокса в наближенні Буссінеска в змінних «вихор швидкості - функція струму - температура» для рідкої фази (режим змішаної конвекції) і рівняння теплопровідності для твердої фази матимуть вигляд:

    дО гтдО тгдО 1 (Д2О Д2О) ВГ (д0 ^ |

    - + и- + V - = - I - + - 1 + - 1 - I,

    дт ДХ д7 Яе ^ дХ2 Д72) Яе2 ^ ДХ)

    д0 ттд0 ТЛд0 1 (д 20 д 20 ^ | - + і - + V- = -1 - + - I,

    дт ДХ д7 Яе- Рг ^ дХ2 Д72)

    д 2 ? д 2? ^

    дХ2 д © Бо дт

    дУ2 Д2 ©

    д2 ©

    ? = 0,

    = т2,

    дУ2 2

    д © / (X, Y) Ду

    = Б1- © / (X, Y) + Б1-

    т - т

    10 1е

    Т_ - т

    -+ К .;

    на внутрішніх кордонах розділу твердої і рідкої фази, паралельних осі з?

    ? = 0,

    ДХ

    - = 0,

    © ", = ©,

    д © "

    ДХ

    = До

    д © / _

    ДХ

    на внутрішніх кордонах розділу твердої і рідкої фази, паралельних осі 0Х: д?

    ? = 0,

    ду

    - = 0,

    © "= ©,

    д © ..

    ду

    = До

    д © / ДУ

    ділянку введення рідини: © = 1: д?

    ду

    = 1;

    ділянку відтоку рідини:

    д © (X, Y)

    ду д?

    ду

    = 0,

    тут К = -

    дь

    К (Т "- Т)

    - число Кирпичева;

    дХ2 дУ2 '

    тут Gr = (gвL3Д7) / v2 - число Грасгофа; в - температурний коефіцієнт об'ємного розширення; g - прискорення, створюване масовими силами; Ке = (2ГХ) Д - число Рейнольдса; Рг = у / і - число Прандтля; Ро = а / 0 / Х2 - число Фур'є; а - коефіцієнт температуропровідності; V - коефіцієнт кінематичної в'язкості. Початкові умови:

    ? (Х, У, 0) = 0, П (Х, У, 0) = 0, © (Х, У, 0) = 0.

    Граничні умови:

    • на зовнішньому контурі даній області (крім вільної поверхні рідини) задаються граничні умови другого роду д © / ді = К1;

    • на вільної поверхні рідини:

    д 2 ?

    акЬ т Ь Б1 = --- число Біо; т = -2-

    уп /

    - безрозмірне

    дотичне напруження; к =

    ть

    КТ "- Т)

    - безраз-

    мірне число випаровування; т - дотичне напруження на вільної поверхні; / Л - динамічна в'язкість рідини; ак - коефіцієнт теплообміну між зовнішнім середовищем і розглядається областю рішення; Ті - температура навколишнього середовища; До і К - коефіцієнти теплопровідності твердої і рідкої фаз; К / = К / К - відносний коефіцієнт теплопровідності; q - тепловий потік на зовнішніх кордонах області рішення; А (Рп - Р ")

    = - масова швидкість випаровування;

    Ж =

    М

    - т.

    рЬ

    ((- теплота фазового переходу; Рп - тиск на-

    рп

    - парціальний тиск випаровуються компонентів; У ^ - газова постійна; М -молекулярний вага; А - коефіцієнт акомодації; ТрЬ - температура випаровування.

    Система нестаціонарних рівнянь з відповідними початковими і граничними умовами вирішена методом кінцевих різниць [11].

    Для моделювання розвитку бактерій у водоймі використовували напівемпіричні рівняння [6]:

    Р = 2 Р1 -1 / 21К / (1 + (1 / 21К) 2), 1К = 0,8Р1 / а1, Р = Р /

    1 + 1 1 1Тор? Т '

    / Т = (УТ) ^ - ехр (ХТ (1 -ут)),

    УТ = (тшах - Т) / (Тшах - Те.,),

    ХТ = (ЗТ) 2 (1 + в1 1 + 40 / ЗТ) 2/400, ЗТ = 1п (010) - (Тшах - Те.,).

    Тут Р - фотосинтетична здатність фітопланктону; I - середньодобове значення енергетичної експозиції; Т - температура; а1 - експериментальне значення нахилу кривої фотосинтезу; РЩ - найбільш висока фотосинтетична здатність при оптимальній середньодобовій енергетичної експозиції і температурі; Ттах максимальна температура, при якій реакція фотосинтезу припиняється; (10 - відносна різниця в швидкості протікання процесу при підвищенні температури на 10 °.

    4. Аналіз результатів чисельного моделювання

    Чисельні дослідження були проведені при наступних значеннях безрозмірних і розмірних величин: Рг = 7,1; Яе = 1000; Gr<105; Т0 = 293 К; Т] і = 343 К;

    263<Т<297 К. Розглядалося відкрита водойма глибиною 5 і довжиною 10 м, товщина бетонних стін 1 м. Ширина вхідного і вихідного каналу 0,3 м.

    На малюнку наведено типові результати вирішення сформульованої задачі в різні термічні періоди. Видно освіту двох вихорів різних розмірів і інтенсивності. верхній

    вихор існує за рахунок сил природної і вимушеної конвекції. Потік рідини, охолоджуючись за рахунок тепловідведення з верхньої і частково з лівої межі порожнини, опускається по лівій стінці, відтісняючи основний потік вниз. Нижній вихор утворений за рахунок вимушеної конвекції в результаті руху основного потоку і природною

    конвекції при охолодженні рідини теплоотво-будинок з правого і нижньої межі порожнини. Вихор в нижній області масштабніше вихору у верхній, т. К. Розмір верхнього вихору обмежується піднімається потоком гарячої рідини. Розподіл температури в цьому випадку істотно нерівномірний. У верхній частині порожнини температура на 50 ° вище, ніж у нижній. Відбувається це за рахунок того, що охлаждаемая рідина в нижній частині порожнини практично не змішується з основним нагрітим потоком. У зимовий період (малюнок, в) верхній вихор стає ширшим і навіть більше нижнього. Потік рідини, інтенсивно охолоджуючись за рахунок тепловідведення з верхньої та лівої межі порожнини, опускається по лівій стінці, притискаючи вхідний потік вниз.

    У таблиці наведено фотосинтетична здатність фітопланктону в типовому водоймі-охолоджувачі ТЕС Західно-Сибірського регіону в різні пори року.

    Таблиця. Фотосинтетична здатність фітопланктону в різні термічні періоди для Беловского водойми-охолоджувача (Кузбас)

    Параметри Термічні періоди

    Весняний Літній Осінній Зимовий

    Температура навколишнього середовища, К 288 297 285 263

    Середньодобове значення енергетичної експозиції, Дж / (см2-сут) 500 750 460 300

    фотосинтетична спо-

    собность фітопланктону 0,25 0,10 0,38 0,55

    Р / Р1Тор

    Активний розвиток планктону починається в весняний період і досягає свого максимуму влітку. Це пов'язано з тим, що у весняно-літній пе-

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Водосховища і водооградітельние спорудження ГАЕС, ТЕС і АЕС / Под ред. Т.П. Доценко. - М .: Вища школа, 1989. -192 с.

    2. Попов В.М., Рябцев В.І., Рябцев Г.А. Про тепловому забрудненні навколишнього середовища викидами і скидами ТЕС і ТЕЦ // Безпека життєдіяльності. - 2002. - № 4. - С. 26-28.

    3. Морозова О.Г., Гаєвський Н.А. і ін. Вплив затоплених рослинних залишків на формування гідрохімічного режиму водойми-охолоджувача Березовської ГРЕС-1. Вплив аль-гофлори водойми-охолоджувача на якість води // Хімія рослинної сировини. - 2001. - № 3. - С. 123-126.

    4. Мордухай-Болтовской Ф.Д. Проблема впливу теплових і атомних електростанцій на гідробіологічний режим водойм (огляд) // Екологія організмів водосховищ-охолоджувачів. Тр. Інст. біол. внутр. вод АН СРСР, вип. 27. - Л .: Наука, 1975. - С. 7-9.

    5. Серяков С.А. Альгоіндікація зміни хімізму води в прісноводних водоймах через антропічний впливу // Хімія, технологія і екологія: Х регіон. Каргінскіе читання. Обл. науково-техн. конф. молодих вчених. - Твер, 2003. -С. 45-50.

    риод досягається максимальна річна сонячна активність і оптимальна температура рідини в водоймі. В осінній же період фотосинтетична активність планктону падає і досягає свого мінімуму взимку.

    Необхідно відзначити, що навіть в зимовий період в певних зонах технологічних водойм зберігаються умови для розвитку біопланктона. Відповідно залишається досить високою і вірогідність його попадання в охолоджувальні тракти основного обладнання ТЕС. У зв'язку з цим отримані результати дають підстави для висновку про необхідність реалізації профілактичних заходів по боротьбі з біологічним забрудненням водойм-охолоджувачів ТЕС не тільки влітку, а й взимку. Ця робота повинна проводитися в зонах найбільш сприятливих умов існування водоростей або біоорганізмів (локально), і її проведення може істотно підвищити надійність енергетичних систем і агрегатів теплових електричних станцій.

    висновок

    Теоретично досліджені гідродинаміка, теплообмін і розвиток фітопланктону в типовому водоймі-охолоджувачі ТЕС Західно-Сибірського регіону в різні пори року. Встановлено, що структура течій в різні пори року істотно не змінюється, а в відкритому водоймі-охолоджувачі навіть в зимовий період фотосинтетична активність біопланктона достатня для забруднення води до рівня, що перевищує допустимий. Отримані результати є підставою для висновку про необхідність підходу до прогностическому моделювання процесів біологічного забруднення водойм-охолоджувачів ТЕС.

    6. Страшкраба М., Гнаук А. Прісноводні екосистеми. Математичне моделювання. - М .: Світ, 1989. - 376 с.

    7. СНиП 2.04.02-84. Будівельні правила і норми водопостачання, зовнішніх мереж і споруд / Міністерство будівництва Російської Федерації; - М., 2001. - 239 с.

    8. Іваненко С.А., кострубато П.П. Динаміка вод і поширення забруднюючих речовин у водосховищі // Математичне моделювання. - 2002. - Т. 14. - № 6. - С. 105-118.

    9. Алексєєв Л.П. Вивчення і методи розрахунку великомасштабної турбулентності глибоководного водойми: за матеріалами досліджень на оз. Байкал. - Л .: Гидрометеоиздат, 1989. - 128 с.

    10. Фурсова П.В., Левич А.П. Математичне моделювання в екології спільнот. Проблеми навколишнього середовища // ВІНІТІ. - 2002. - № 9. - 112 с.

    11. Пасконов В.М., Полежаєв В.І., Чудов Л.А. Чисельне моделювання процесів тепло- і масообміну. - М .: Наука, 1984. - 288 с.

    12. Ликов А.В., Алексашенко А.А., Алексашенко В.А. Парні завдання конвективного теплообміну. - Мінськ: Наука і техніка, 1971. - 346 с.

    надійшла 20.04.2009г.


    Ключові слова: математичне моделювання / гідродинаміка / теплообмін / змішана конвекція / фотосинтетична здатність фітопланктону / водойма-охолоджувач теплової електричної станції / біологічне забруднення

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити