地下核电（精选4篇）
地下核电 篇1
引言
近年来, 随着我国能源战略的调整和实施, 特别是核电建设的快速发展, 核电厂中地下埋设管道也正在或即将大量投入使用。为贯彻民用核设施安全第一的方针, 保证地震发生时和震后保持正常的供排水功能, 提高防止和减轻事故的能力, 核电站地下循环水管廊的抗震分析比一般工程的地下结构更显得必要和重要。历史上国内外多次大地震的震害也表明, 地下结构若不能很好地进行抗震设计, 有可能发生破坏。由于地震后埋地管道的震害调查和发现以及修复都比较困难, 因此在设计阶段做好抗震设计和计算无疑是减灾防灾的可靠途径。
地下结构抗震设计的计算方法主要分为两种, 一种是静力计算法, 其中包括安全系数法、等效静力法及考虑周围地层变形的反应位移法;另外一种是依据有限元发展起来的动力法。
地下循环水管廊是保证核电厂正常运行的重要地下钢筋混凝土结构, 管廊在地震荷载作用下的受力和变形特性很有必要进行专门的研究。本文的目的在于通过动力法数值计算, 分析管廊的地震应力、内力和变形, 为结构设计提供可靠的依据。
1 地下管沟的抗震计算原理
管廊的抗震计算一般指沿管道轴向 (纵向) 的拉压地震反应和弯曲地震反应。对高度>3.0 m的埋地矩形管道, 尚需计算管道截面内的地震作用效应。管廊的地震反应计算, 一般仅考虑剪切波行进时对结构产生的作用效应。下面分别予以阐述。
1.1 纵向拉压和弯曲地震反应
(1) 轴向应力计算。
对于均匀地基中远离接头、弯曲、分岔等部位的地下连续直管段, 截面的最大纵向拉伸或压缩应力的上限值可按 (1) 式计算:
undefined (1)
式中:σl——地下直管最大轴向地震应力的上限值;fl——单位管长与周围土之间的最大摩擦力, 可由 (2) 式估计;λ——地下直管高程处起控制作用的地震波的视波长, 当地下直管采用柔性接头或伸缩缝分段时, 取分段间的管长;A0——地下直管的净截面面积。
fl= (1+K0) (Ls/2) γZμ (2)
K0=tg2 (45°-φ/2) (3)
式中:K0——填土静侧压力系数;φ——填土的内摩擦角;Ls——管沟与土接触面的长度;γ——填土的容重;Z——管中心至地面的高度;μ——管土间的摩擦系数, 最大取0.5。
(2) 弯曲应力计算。
均匀地基中地下管道直管段的最大地震弯曲应力可按 (4) 式计算:
undefined (4)
式中:a——地下直管高程处的最大地震加速度;r0——应力计算点至管截面中轴的距离;αb——弯曲应力波速系数, 剪切波取1.0。
1.2 横断面内的地震反应
对于一般的地下结构如管道、隧洞、竖井等, 其尺寸相对于地震波长较小, 地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小, 同时, 地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著, 结构的动力反应一般不明显表现出其自振特性的影响, 从而不可能产生共振响应。因此, 地下结构地震反应的特点与地面结构相比有明显的差别, 本文采用有限元时程动力分析法进行计算。平面有限元整体计算方法可考虑结构与周围岩土介质的动力相互作用, 以及地基土的不均匀性和土的非线性动力特性 (弹簧常数和阻尼随土动应变的幅度而变化) 的影响。该方法主要涉及到如何选择合适的能量透射边界, 以模拟半无限地基的弹性及能量扩散、吸收特性。目前, 有多种人工边界可供选择, 常用的有粘性边界、透射边界、粘-弹性边界、旁轴近似边界等, 本文在计算时采用适用于半无限弹性地基的粘-弹性边界。
2 地震反应动力分析
2.1 计算参数及模型
某核电站地下循环水管廊结构见图1, 结构埋深为5.30 m, 有限元模型地基计算范围水平向宽100 m, 深度方向高取24 m。计算模型见图2和图3。
结构混凝土为C30, 其动弹性模量为39.0 GPa, 泊松比0.17, 密度为2 500 kg/m3;地基的弹性模量为15 GPa, 泊松比0.38, 密度为2 700 kg/m3, 内摩擦角为33°, 粘聚力为6.94 MPa。
边界条件是地面自由, 模型侧边及底边施加粘弹性边界, 以模拟半无限地基弹性及辐射阻尼的影响。地震波自计算模型底部垂直向上输入, 本文计算考虑了水平向的地震动, 最大加速度幅值为1.735 m/s2;又考虑了竖向地震波和水平向地震波的同时作用, 竖向地震波的最大加速度幅值取水平向幅值的2/3, 即1.157 m/s2。模型底部的地震波形由原输入波通过场地地震反应分析反演得到。
2.2 计算结果
通过计算典型截面, 地震响应时程曲线见图4至图6。
不同地震组合内力见表1和表2, 最大位移及应力见表3。
3 结论与建议
(1) 由计算可知, 就最大绝对值来讲, 竖向地震动分量对结构的内力影响不明显, 管沟的抗震计算可以只考虑水平向地震动的作用情况。
(2) 在水平剪切地震波作用下, 管沟结构的变形状态为剪切型, 最大水平相对位移约为0.21 mm, 顶板位移最大, 沿高度逐渐降低。
(3) 结构最大地震拉、压应力仅约为0.55 MPa, 最大剪应力约为0.137 MPa, 发生位置均为管沟侧墙与底板相交处。
(4) 在地震作用下, 管沟截面的最大轴力为156.6 kN/m (12-12截面, 即侧墙与底板相交处) ;截面最大弯矩为42.02 kN·m/m (11-11截面, 即中隔墙与侧墙相交处) ;截面最大剪力为94.33 kN/m (12-12截面, 即侧墙与底板相交处) 。因此, 应注意各角缘处的配筋。实际上结构设计时有腋角, 可作为安全储备, 但计算时并未考虑腋角的局部加强作用。
参考文献
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[2]DL5077—1997, 水工建筑物荷载设计规范[S].
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地下核电 篇2
核电站地下管网分布全厂, 涉及范围广、参建施工单位较多, 且施工逻辑和接口关系复杂, 在传统的进度管理方法下, 公共交叉区域时常发生重复开挖、窝工和赶工、引发电站公用设施 (BOP) 和道路建设延误等问题, 影响到核电项目安全文明施工、质量管理、成本管理和进度管理的成效。对核电站地下管网工程进度进行有效控制, 达到预定的质量、费用、进度目标, 是工程参与各方共同的使命和重要任务。在虚拟建造技术尚未在核电建设领域成熟应用之前, 采用可视化进度管理方法, 是有效解决核电地下管网工程进度管理难题的一种新思路。
1 核电地下管网工程概述
核电站地下管网多达20个 (表1) , 在全厂都有布置, 全长几十公里, 是一个复杂的综合系统工程。地下管线和廊道的布置应考虑厂区总体布局的合理, 根据生产工艺特点、管线和廊道的性质及不同的技术要求, 合理选择管线和廊道的布设方式、走向、间距与布设宽度, 力求达到经济、合理、安全生产的目的。地下管网分为:可通行地沟、不通行地沟、直埋管线。根据管线的种类、规模及地质、地形条件, 选择以廊道为主, 直埋为辅的布置方式。
核电站地下管网的施工是一项十分复杂的系统工程, 如果没有科学的进度管理方法, 以及合理的人力、机械、材料、施工组织工艺和方案、场地安排, 就会出现施工混乱的局面, 最终导致工期延误、工程变更索赔费用增加, 施工质量和安全文明形象也难以得到保障。
2 传统进度管理方法
2.1 传统进度管理方法介绍
对于核电站地下管网工程, 按照二、三、四、五、六级进度分级控制, 依靠施工单位的月报、双周协调会来跟踪进度执行情况并协调施工中遇到的问题。先由总承包商编制二级进度或专项进度, 对地下管网按区域和廊道、管线制定土建活动、持续时间 (开工、完工时间) 、逻辑关系;再由核岛土建单位、常规岛土建单位、BOP土建单位依据各自的合同范围和施工组织设计编制各自负责施工的廊道、管网的详细施工三级进度及四、五、六级进度 (廊道和管网的分段、分区域施工计划, 见图1) 。
在二级计划层面, 对进度的跟踪应注意点和面两方面的控制。点的控制就是对二级里程碑、合同里程碑等控制点的完成情况进行控制。面的控制主要是指土建工程实物量 (廊道施工长度、管线敷设长度) , 比较实际完成量与计划量之间的偏差。
在三、四、五、六级计划层面, 主要靠双周或周协调会来跟踪, 由总承包商与各分包单位分别召开会议商议计划执行情况、协调解决施工中遇到的问题。
2.2 存在的问题
2.2.1 施工单位之间进度接口问题
按照合同划分范围, 地下管网工程由核岛土建单位、常规岛土建单位、BOP土建单位分包建设, 各分包单位只负责自身范围的地下管网和廊道的施工和进度管理。在传统进度管理方法下, 由于缺乏统一规划和接口协调管理, 各施工单位的计划没有进行接口对接和控制, 在公共区域的管网施工接口控制和协调统一会存在问题, 或多或少会出现管网、廊道重复开挖, 道路破坏, 挖断地下设施, 地下管网窝工和赶工, 临建搬迁等问题。
2.2.2 点面控制效果有限
由于二级里程碑和合同里程碑设置的地下廊道和管网一般为开始、完成时间, 缺乏中间控制点, 且跨越周期较长, 预警不及时, 一旦施工过程中发生延误将难以得到有效控制。土建工程实物量只对总数进行统计, 计划量往往是承包单位预估量且可人为调整, 科学依据不足;再加上施工单位瞒报或虚报情况的存在, 面的控制效果不明显。
2.2.3 地下管网的碰撞问题
核电站地下管网、廊道布置错综复杂, 如此多的管网廊道, 编制计划和施工实施时使用的仍然是二维平面施工图和总平面布置图。如果施工规划和设计不合理, 随时可能出现碰撞、交叉的可能。在各个项目均发生过因管网廊道布置冲突导致被迫修改设计图纸或者调整施工走向的案例, 地下管网的碰撞如果在施工前不解决或未被及时发现, 在现场施工时发现地下管网碰撞将导致施工组织被动、工程进度延误, 甚至造成成本增加、安全隐患, 文明施工形象大大受损。
2.2.4 公共区域管网的施工逻辑问题
由于缺乏有效的技术手段和施工单位各自为政, 公共区域管网施工可能出现混乱局面, 可能某区域先行开挖施工了A管网, 过一段时间又被再次开挖施工B管网, 甚至会出现较深的管网后施工或难以施工的情形。这是传统进度管理方法难以解决的问题。
3 可视化进度管理方法
3.1 可视化进度管理方法介绍
利用三维设计技术建立核电站地下管网、廊道的可视化平台, 通过可视化平台结合Project的进度计划编制、动态跟踪功能, 实现核电项目现场负挖、管网、廊道等土建施工的可视化进度管理。通过对可视化平台中各管网子项分段分区域赋予进度维度, 根据施工单位的施工组织方案模拟施工逻辑, 来验证计划编制的合理性。
通过将现场实际形象进展、观测量等信息输入可视化平台, 并通过计算机运算, 全面模拟施工中的实际状态和计划状态, 并标示不同颜色来实现进度计划的跟踪, 以实现地下管网的可视化进度管理 (见图2) 。
注:黑粗线表示进度滞后, 黑细线表示进度提前, 深灰色表示进度正常.
3.2 可视化进度管理的优点
3.2.1 地下管网碰撞检查
可视化平台在设计阶段就可实现地下管网的碰撞检查, 使地下管网施工图纸更加科学、合理、经济、可靠。可视化三维模拟功能可以彻底解决管网碰撞及布置不合理的问题, 对后续设计变更控制提供保障。核电站地下管网、廊道、临时管线的走向、深度以及详细的空间布置应清晰明确, 利用可视化管理平台实现地下管网三维显示和碰撞分析, 以及对公共交叉区域施工逻辑的演示, 则可以提前发现地下管网碰撞信息, 提前修改设计图纸, 规避设计变更和施工困难的风险。
3.2.2 提升地下管网施工管理水平
核电站可视化进度管理平台, 是地下管网三维模拟的验证平台和施工辅助管理工具, 主要包括了施工进度规划功能、施工过程动态形象跟踪功能、施工技术控制功能。施工管理人员通过利用该子系统, 可提前对地下管网的施工进度和施工方案进行规划和验证, 从而有效的解决厂区道路、管网及廊道重复开挖和逻辑混乱等系列问题, 以达到降低成本、提高工作效率、提升地下管网进度管理精细化水平的目的。
3.2.3 地下管网施工图纸需求进度合理
通过可视化进度管理平台, 可以演示地下管网的整个建设过程, 从而为管网、廊道的分区分段图纸需求计划提供了依据, 设计人员可以依据建设进度安排分区域、分段、分批提供施工设计图纸。
4 两种进度管理方法的比较
核电站地下管网土建施工的两种进度管理方法对比分析如表2。
从表2中可以看出, 可视化进度管理优势明显, 计划的编制、跟踪、协调更加便捷, 可以有效减少碰撞、重复开挖的问题。
5 应用实例
正在建设中的阳江核电工程5、6号机组首次应用可视化方法对地下管网工程进行进度管理后, 取得了显著效益, 现场已减少重复开挖10多次、地下管网首次实现了零碰撞, 核岛周边的道路比前期机组提前建成投用, 现场安全文明水平大幅提高, 各地下管网、廊道按期完成率提高了40%, 地下管网及道路工程已累计节省投资500余万元。
6 结论
综上所述, 可视化进度管理可以充分发挥可视化的优势, 解决地下管网碰撞、重复开挖、公共区域施工逻辑不清等问题, 并可以提高进度管理效率和精细化控制水平。在虚拟建造技术未大规模应用以前, 核电地下管网可视化进度管理是一种先进的、经济合理的进度管理方法, 可在类似工程建设领域中推广应用。
摘要：地下管网工程是核电站的一个重要基础设施。本文从工程项目进度管理的角度出发, 对传统进度管理方法和基于可视化的进度管理方法进行比较, 论证了可视化进度管理方法在地下管网工程上应用的可行性及优越性。
关键词：可视化,核电,地下管网,进度管理
参考文献
[1]高岩福, 张彦彬, 于宁.工程项目进度管理模型研究[J].山西建筑, 2010 (13) :201-202.
[2]赵彬, 王友群, 牛博生.基于BIM的4D虚拟建造技术在工程项目进度管理中的应用[J].建筑经济, 2011 (9) :93-95.
地下核电 篇3
地下核电非能动安全壳冷却系统采用自然循环方式实现对安全壳热量的导出。 换热水箱内存水延下降管流进换热器, 吸收安全壳内热量后升温, 由于下降段流体温度低, 密度大, 上升管流体温度高, 密度低, 形成了流经换热水箱-下降管-换热器-上升管-换热水箱的自然循环回路。 换热水箱与换热器的高度差及密度差决定了自然循环驱动头。一般地, 高度差越大, 驱动头越高, 自然循环流量越大。地下核电中, 换热器和顶部换热水箱高度差达到180m, 可形成较大的自然循环驱动头。
与此系统类似, 在日本全自然沸水堆设计中, 一回路采用自然循环流动导热, 为提高自然循环流量, 在堆芯出口增加了一个烟囱结构。 但是, 研究人员通过SIRIUS[1]装置试验发现在反应堆启动过程中, 堆芯出口水延烟囱向上流动, 由于当地压力逐渐下降, 最终低于对应的饱和压力, 引起闪蒸。 闪蒸现象会造成流动振荡, 影响自然循环换热, 并对设备造成冲击。
本文针对地下核电站非能动安全壳系统的运行特性进行研究, 研究该系统是否会出现闪蒸现象, 以及闪蒸现象对自然循环流动的影响。
1地下核电站非能动安全壳冷却系统
该系统设计采用非能动设计理念, 利用内置于安全壳内的换热器组与安全壳的高温空气对流换热和辐射传热, 通过换热器管内水的流动, 连续不断地将安全壳内的热量带到安全壳外, 在安全壳外设置换热水箱, 引走从换热器组导出的安全壳内热量, 利用水的温度差导致的密度差实现非能动安全壳热量排出。
2分析评价
2.1 RELAP5模型 (图1)
分析程序采用一维两流体最佳估算分析程序RELAP5/MOD3[2]。 RELAP5求解非平衡态、 非均相两流体六方程, 具备相关热工水力模型模拟换热器一次侧含不可凝气体的水蒸汽凝结换热、换热器管内热传导、换热器二次侧对流换热、汽液间质量和能量传递, 能够计算单相水、单相汽和两相流体摩擦压力损失和局部压力损失。 另外, Kozmenkov等人[3]利用CIRCUS试验数据也验证了RELAP5程序模拟闪蒸引起的自然循环不稳定性现象的能力。
建立的RELAP5程序模型控制体长度均大于水力直径, courant数相似, 同时对于时间步进采用了半隐式方法进行, 上述手段有助于提高数值计算的稳定性和收敛性。
2.2换热水箱温度影响分析
本文选取事故后典型的安全壳状态作为一次侧边界条件, 压力为0.48MPa, 温度为150℃, 相对湿度为1.0。
安全壳冷却系统投入后, 利用自然循环作用持续地将安全壳内热量传递到最终热阱-换热水箱, 这会造成换热水箱温度持续上升。由于换热器与换热水箱高度差为180m, 换热器出口静压约为1.86MPa, 安全壳内温度总是低于换热器出口对应的饱和温度 (约208℃) , 因此换热器出口保持为单相水状态。 但是换热器出口较高温度的水沿上升管向上流动时, 当地静压逐渐下降, 最终可能达到对应的饱和压力。
分析结果显示, 换热水箱温度上升到90℃后, 开始出现闪蒸现象, 造成自然循环流量和换热功率的周期性振荡。 换热水箱温度上升到95℃后, 闪蒸现象更显著, 发生流量漂移, 流量及换热功率较稳定, 但数值小于单相结果。
图2、图3、图4分别给出了换热器出口温度、自然循环流量及换热功率随换热水箱温度的变化曲线。 本文中, 将发生闪蒸前区域称为单相液自然循环流动区, 发生闪蒸后自然循环流动振荡区称为两相振荡区, 发生流量漂移后称为两相稳定区。
(1) 单相液自然循环流动区
换热水箱温度在10℃-89℃范围内取13个数据点。 随换热水箱温度上升, 换热器一、二次侧温度差下降, 换热功率下降 (图5) 。
(2) 两相振荡自然循环流动区
当换热水箱温度升高到90℃时, 换热器出口温度为104.2℃。 该温度水沿上升管向上流动, 当到达上升管出口位置时, 该温度已达到当地压力对应的饱和温度, 流体闪蒸, 液体显热转化为汽体潜热, 形成汽水两相状态 (图6) 。 与单相水相比, 两相流动阻力增加, 抑制自然循环流动, 同时这会导致换热器出口温度上升 (图7) 。 另一方面, 随着气泡产生, 上升管内流体密度下降, 下降管和上升管内流体密度差形成的自然循环驱动头也在增加。 自然循环驱动头增加幅度大于阻力增加幅度, 自然循环流量又上升, 并将上升管内蒸汽完全排出。
随后, 流动受抑制时造成的高温水流到上升段顶部, 重新出现闪蒸现象, 进入下一个振荡周期。 流动振荡周期约为液体流过上升管的时间。
随着换热水箱温度进一步升高, 上升段出口含汽量越大, 低流速区与高流速区占比更大, 振荡周期时间也更长 (图8) 。
(3) 两相稳定自然循环流动区
当换热水箱温度上升到95℃后, 闪蒸产生气泡量更多, 自然循环驱动头增加, 但流动阻力增加更多, 造成自然循环流量下降。
自然循环流量下降后, 换热器出口温度继续上升, 闪蒸现象更显著, 进一步地抑制自然循环流动。 最终, 自然循环达到较为稳定的两相运行状态。 此时, 上升段顶部持续闪蒸, 保持两相状态, 流量和换热功率均较低。 流量和功率参见图2和图3两相稳定区数据。
3结论
本文研究了进口温度对地下核电站非能动安全壳冷却系统运行的影响。 研究发现, 随着高位水箱温度上升, 该自然循环回路上升管内会出现闪蒸现象, 造成两相自然循环流动发生周期性振荡或发生流量漂移。 流动振荡会对系统管路等结构造成持续冲击, 降低系统运行的可靠性, 而流量漂移则会大幅降低系统排热功率。
参考文献
[1]M.Furuya, F.Inada, van der Hagen, Flashing-induced density wave oscillations in a natural circulation BWR mechanism if instability and stability map[J].Nuclear Engineering and Design, 2005, volume 235.
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[6]郭雪晴, 孙中宁, 张东洋.细长自然循环系统流动不稳定性实验研究[J].原子能科学技术, 2014, 2, 48 (2) .
[7]武俊梅.自然循环两相流动不稳定性的判别准则[J].西北纺织工学院学报, 1999, 3, 13 (1) .
地下核电 篇4
目前, 在核电厂地下水数值模拟中使用的软件主要为两种:一种是立足于MODFLOW软件, 加拿大滑铁卢水文地质公司 (Waterloo Hydrogeologic Inc.) 经过研究, 成功开发的可视化地下水数值模拟软件Visual Modflow;另一种是法国Fluidyn公司开发的用于地下水污染物迁移扩散三维数值模拟Fluidyn- Pollusol。结合实际使用两种地下水数值模拟的软件的经验, 从不同角度对Visual Modflow与Fluidyn- Pollusol从不同角度进行对比研究, 供研究者根据自己的需求选取不同的软件进行模拟分析。
1 软件介绍
1.1 20 世纪80 年代, 由美国地质调查局的Mc Donald和Harbaugh开发了MODFLOW用于建立孔隙介质的三维有限差分地下水流数值模拟模型。立足于MODFLOW, 加拿大滑铁卢水文地质公司 (Waterloo Hydrogeologic Inc.) 依靠现代可视化技术完成了Visual MODFLOW软件的开发, 首次在国际上公开发行的时间是1994年8 月。它融合了在地下水流模拟应用的MODFLOW、传播时间与粒子运动轨迹模拟的MODPATH、在地下水中输移过程污染物模拟的MT3D, 还有优化、估计水文地质参数方面需要应用的PEST模块。与MODFLOW比较, 这一软件具备了强大的数据前后处理能力, 同时使得计算结果具有可视化性、能够与别的软件数据信息之间进行交互等, 具备很多突出的优势。
1.2 Fluidyn公司是由法国来自核工业和国防领域的工程师创立, 目标是提供在流体和结构动力学领域提供专业的仿真服务。开发的FLUIDYN系列仿真软件, 用来应对流体力学的众多挑战和不同应用所需必要的工具和方法。FLUIDYN系列仿真软件都是为各自特殊应用而专门订制的。Fluidyn- Pollusol主要用于地下水污染物迁移扩散三维数值模拟。目前, Fluidyn- Pollusol主要应用于国外的核电行业, 例如WESTLAKES Scientific Consulting (英国WESTLAKES) 、NUPEC (日本动力工程设计试验中心) 、CEA (法国原子能委员会) 、EDF (法国电力公司) 、AREVA (法国阿海珐) 、ANDRA (法国放射性废弃物管理局) 、IGCAR (印度甘地原子能研究中心) 、NPCIL (印度国有核电公司) 、BARC (印度巴巴原子研究中心) 。在我国国内核电行业的使用尚未见文献报道。
2 基本原理
2.1 Visual Modflow地下水流动模型, 基于达西定律[2]:
式中:Kxx、Kyy、Kzz为沿x、y、z坐标轴方向的水力传导率 (LT- 1) , h是水头 (L) , W是在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质体积的流量, 表示地下水的源和汇 (T- 1) , Ss表示多孔介质的贮水率 (L- 1) , t是时间 (T) 。
2.2 Fluidyn-Pollusol地下水数值模型, 是基于Navier—Stokes方程和达西定律进行的, Navier—Stokes方程详见下式[3]:
式中 ρ 为流体密度;u、v、w分别为x、y、z方向上的流速;Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向有效水力传导率;Sm为质量源项;Su、Sv、Sw分别为x、y、z方向上的动量源项。
在Navier—Stokes方程中代入达西定律可以获得Fluidyn- Pollusol水流数值模拟的基本方程。
从基本原理来看, Modflow与Fluidyn- Pollusol所采用的基本方程是相似的。Modflow以质量守恒方程为主, Fluidyn- Pollusol除质量守恒方程外, 还基于Navier—Stokes方程。在软件功能上Fluidyn- Pollusol一方面能够对溶质运移问题、Visual Modflow模拟的二维饱和流状态的、三维饱和流状态的水流问题进行计算, 同时也能够对物质运移问题、非饱和带流场模拟。
3 模型离散形式
3.1 有限差分法是Modflow采用的离散形式
有限差分法 (英文名字Finite Differential Method) 已经被公认为是计算机数值模拟方面最先应用的一种方法, 发展到现在依然应用广泛。这一种方法把求解域最终划分成了差分网格, 将连续的求解域以有限个网格节点予以代替。利用Taylor级数展开等许多方法, 有限差分法用网格节点上的函数值的差商代替了控制方程中的导数并离散, 这样网格节点上的值就成了代数方程组的未知数。这一种方法是把微分问题直接转换成代数问题, 属于一种近似数值解法, 表达十分简单, 而且数学概念特别直观, 是发展特别早而且已经十分成熟的一种数值方法。在多种多样的构造差分方法中泰勒级数展开方法是当前采用较多的方法。
3.2 Fluidyn-Pollusol所采用的离散形式为有限体积法
有限体积法也常常叫做控制体积法 (英文名字Finite Volume Method) 。它的主要思路为:划分计算区域使其成为很对不具有重复性的控制体积, 并保证所有网格点附近均存在一个控制体积;把待解的微分方程对所有的控制体积积分, 求得一组离散方程。位于网格点位置上的因变量数值就是其中的未知数。想要对体积的积分控制, 一定要假定值处于网格点范围中的变化规律, 实际上就是指分段分布的假设值剖面。在选取积分区域采用的方法方面, 有限体积法在加权剩余法中属于子区域法;在未知解的近似方法方面, 采用局部近似的离散方法实际上就是有限体积法。简单来说, 子区域法实际上是有限体积法的一种主要方法。 有限体积法总体思路理解起来特别简单, 并可以直接掌握物理解释。在物理意义方面关于离散方程可以这样理解, 即在有限大小的控制体积中, 因变量的守恒原理, 与以微分方程在无限小的控制体积中表示因变量的守恒原理是相同的。 离散方程要是通过有限体积法产生的, 需要保证因变量的积分守恒可以满足所有组控制体积的要求, 同时也必然要能够满足整个计算区域。这实际上也是有限体积法最突出的一大优点。
只有在网格特别细密的条件下, 有限差分法得到的离散方程才可以符合积分守恒;而就算处于粗网格条件下, 有限体积法也可以对积分守恒精确显示。有限体积法一定要假定值满足网格点范围内的变化规律 (既插值函数) , 并把它当作近似解。有限差分法仅仅对网格点上的数值考虑, 关于值在网格点之间怎样变化是不予以考虑的。有限体积法得出的结点值, 在对控制体积的积分获取时, 一定要保证假定值分布于网格点之间。利用有限体积法的时候, 插值函数仅仅在对控制体积的积分计算时应用, 要是有必要, 关于微分方程中的各个项, 可以采取不一样的插值函数。
4 模型网格划分形式
4.1 Modflow对所模拟的地质体采用矩形网格做好剖分, 该网格的主要优点体现为, 方便用户对数据文件准备, 使得输入的文件更加规范化, 需要注意的是, 在所关注的地点周围 (像井附近) 需要对计算单元的密度增加时, 同时一定要对经过这一点附近区域的各个行与列做好加密, 这样显然就增大了计算量。
4.2 Fluidyn- Pollusol采用的是有限体积法其剖分单元在形状方面多变灵活 (例如矩形、三角形均可) , 大部分使用三角形进行剖分。如需加密, 仅仅对感兴趣的位置加密就可以了, 与Visual Modflow进行比较, 运算量显著减少。采用三角形剖分另一个优点体现为, 在对模拟区外部边界刻画的时候, 三角形网格边界能够对外边界范围妥善控制, 与Visual Modflow比较, 刻画完成的边界要精确很多。
5 模型边界设置方式
5.1 Visual Modflow采用的是模块化结构, 在软件输入操作过程便体现了这一点, 如边界条件里面的定水头边界、河流边界、截渗墙边界、排水沟边界、补给边界和蒸发边界等。模块化结构中基本的几类边界分类, 用户能够根据需求直接选择对应的边界模块, 展开输入编辑操作, 十分便利, 但在处理特殊水文地质问题方面稍有欠缺。
5.2 Fluidyn- Pollusol的边界条件是按照一类、二类、三类和井流边界划分的。与Visual Modflow相比, Fluidyn- Pollusol中边界问题的分类采取了广义的边界条件分类, 因此在处理水文地质边界条件时就非常的灵活, 但是这种过于集中的输入方式也给输入工作带来了不便, 比如源汇项的输入过于集中, 用户需要对其数据进行整理或者预处理才能输入。
6 结语
Visual Modflow因其合理的设计, 自问世以来在全世界范围内的科研、生产、环境保护、城乡规划、水资源利用等行业和部门得到了广泛的应用。
Fluidyn- Pollusol在高技术工业诸如核工业、航空航天等领域都被广泛接受。经过多年的潜心研发和专业咨询使得Fluidyn- Pollusol日臻成熟, 功能完善和强大, 既包括通用性的流体流动和多物理场仿真, 也包括专业的工业及城市大气污染仿真, 危险化学品泄漏、扩散, 地表水及地下水污染仿真等。Fluidyn- Pollusol在石油化工、核能、公共安全、环保等领域应用广泛。
Visual Modflow和Fluidyn- Pollusol在模拟三维地下水流与溶质运移模拟方面, 都是非常不错的专业评价软件系统, 两者都属于商业软件。两者均拥有强大直观的图形交互界面, 输入参数、模型剖分、模拟结果, 在图形显示方面都可以应用, 同时能够为三维可视化提供支持, 成功实现了人机对话, 在核电地下水环境领域得到了广泛的应用。但同时, 它们之间却存在着许多差别, 各有千秋。研究者需要根据自己的需求选取不同的软件进行模拟分析。
参考文献
[1]简述我国核电能源发展.资源节约与环保, 2014.
[2]地下水数值模拟.科学出版社, 2007.