针对红沿河核电站冷源取水海冰堵塞风险的数值模拟预警设计初探

由于经验和技术缺失,我国冰区滨海核电站的冷源取水安全受到海冰的威胁。数值模拟预警是建立和完善核电冷源取水安全保障系的关键部分。本文以辽东湾东岸的红沿河核电站为例,介绍了 3 种主要的核电冷源安全海冰致险模式,给出了 不同致险模式的数值模拟预警流程,并对数值模拟范围的选取进行重点阐述。结果表明,满足 24 h 预警需求的海冰数值模拟范围面积在数百甚至数千平方公里以上,较大的模拟范围与高网格分辨率对运算能力提出了较高的要求,是目前该数值模拟预警需要解决的突出问题。     

红沿河核电站邻近海域海流特征观测与分析

掌握核电站周边海域流场特征对保障核电冷源安全及研究排水口温排水输运规律具有重要意义。基于2013年12月~2014年2月在红沿河核电站邻近海域获取的四个站点海流连续观测资料,利用低通滤波和调和分析的方法,分析了该海域的余流和潮流特征。结果表明,核电站邻近海域冬季余流流速大于秋季,且随深度增加而减小;中层附近余流变化较小,越接近底层余流变化越大;海域潮流类型属于规则半日潮流,且浅水分潮特征显著; M_2和K_1分潮流的最大流速随深度增加而减小;除取水口站位外,其他站位主要分潮流运动形式皆表现为往复流特征。     

半圆型防波堤前海冰堆积模拟

半圆型防波堤已在我国的海港防波堤和河口导堤工程中得到应用,并被交通部列为重点推广技术,但对我国北方结冰海区建造的半圆型防波堤的拱圈所受的冰压力还没有相应的计算方法,目前近似地按斜面冰压力估算不很合理,需开展有关的研究工作.     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

海冰爬坡和堆积行为的试验研究

对于浅海区采油平台等设施常采用斜坡式人工岛形式,虽然在一定程度上起到降低海冰对平台的作用,但是海冰沿着斜坡上爬至平台并形成堆积,同样也会对平台设施造成破坏,因此有必要对海冰堆积爬坡的关键参数进行研究。通过在冰排前进方向放置混凝土实体结构物模拟海冰堆积和爬坡过程,分析了模型冰爬坡和下滑角度、最大堆积高度等关键参数以及模型冰断裂长度的统计特性及其与变形模量的关系,试验结果表明水位越高,冰排越容易发生堆积爬坡。破碎的模型冰在结构物前堆积后,形成爬坡角和下滑角。爬坡角随着堆积体的增大而增大,下滑角则逐渐减小。堆积冰高度一定时,高度不再增加,在来冰方向会形成新的堆积。这种现象为浅海区海上结构物的防冰减灾提供了新思路。     

冰动力学的拉格郎日离散元模式

本文描述一种应用于河冰和海冰动力学研究的平滑质点流体力学的离散元模式。该离散元方法是一种自由拉格郎日方法,和传统的欧拉网格数值方法相比,它具有较小的数值扩散并且能够更加灵活地处理复杂的冰过程等许多优点。本文首先给出海冰动力学的离散元模式的基本方法,并与欧拉有限差分方法和半拉格郎日的质点一网格方法进行了对比,其次,本文还给出了离散元海冰模式在渤海的一个应用。     

滨海核电站取水口精细流场测量的设计与实例

冷源取水安全是核电运行安全的重要部分,会受到多种海洋堵塞物的威胁。为科学支撑滨海核电站取水口堵塞物防治工作,亟须掌握取水口的精细流场。走航和定点相结合的测量方式可同时获取流场的时空变化特征,适用于滨海核电站取水口精细流场的测量;走航测量宜采用具有底跟踪功能的ADCP,该设备具有测量精度高和数据处理简便的优点,然而在使用中应注重规范性以减少测量误差;以潮流为主的海域在涨急和落急时段的流场较稳定,在这段时间内进行走航数据插值可得到涨急和落急时段的精细流场;应用该方案获取某滨海核电站取水口的精细流场,测量结果显示取水口的流场较复杂,小范围流场受取水影响显著,呈现非潮流特征。     

船舶在平整冰区行进过程的离散元分析

船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。     

锥角对锥体结构抗冰性能影响的离散元分析

在寒区海洋工程中,锥体海洋结构的尺寸参数对其破冰性能具有重要影响。采用具有黏结-破碎功能的离散元方法模拟海冰与锥体结构的相互作用过程中海冰的破坏模式及冰载荷分析。该离散元方法的计算参数通过与渤海油气平台的实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,当设计海域的潮差固定时,对不同锥角下风电单桩锥体结构的冰载荷和海冰破坏模式进行了离散元分析。计算结果表明:锥体冰载荷随锥角的增大而增大,海冰的平均断裂长度则随锥角的增大而减小;当锥角小于70°时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏,而当锥角大于70°时海冰破坏模式则主要为挤压破碎。以上研究结果可为冰区海上风电单桩结构的抗冰锥设计提供参考。     

海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比＜30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。     

滨海核电冷源取水区风险生物的分类及特征分析

近年来由海洋生物入侵造成的核电冷源安全事件频发,表明冷源安全已成为核电安全与可靠的重要影响因素,受到社会高度关注。本文对国内外发生的主要冷源安全事件进行统计分析,归纳总结冷源致灾生物的分类特征及其致灾机制,探讨致灾生物的筛选及分级预警标准,解析相关的探测技术、预警手段及处置方法,提出致灾生物研究中亟待解决的关键科学与技术问题,以期为更好应对解决滨海核电冷源安全问题提供参考与理论依据。     

太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响

近年来,北极海冰发生了大面积减少,减少的原因仍存在着争议。基于2003-2011年的水文和遥感卫星数据,对北冰洋加拿大海盆的太平洋水和海冰进行研究。通过对比2006年和2007年太平洋水位温与海冰密集度的空间分布,发现太平洋水暖异常于2007年1-3月进入加拿大海盆的中部,并可能导致了2007年夏季海冰大面积的融化。2003-2011年,在加拿大海盆的中部,太平洋水位温与海冰密集度存在着时间上的负相关。选取2007年8月,发现两者在空间上也存在着负相关。这很可能说明太平洋水暖异常在流动的过程中,向上输送了热量,在一定程度上,融化了海冰,从而触发海冰-反照率正反馈,导致海冰的减少。因此,通过白令海峡进入北冰洋的太平洋夏季水,对北极海冰面积的减少有着重要影响。     

辽东湾东岸海冰抗压强度特征分析

本文利用辽东湾东岸鲅鱼圈、营口和长兴岛三地实测海冰抗压强度资料,分析了海冰破坏应力与破坏时间的关系,应变率和冰温对海冰抗压强度的影响,以及海冰生成环境对海冰抗压强度的影响。综合分析表明,三地破坏应力随破坏时间变化的整体趋势一致,应变率对三地海冰抗压强度有显著的影响,三地海冰抗压强度随温度降低总体有增大的趋势,冰龄、盐度、含沙量的差异是造成辽东湾东岸海冰抗压强度不同的主要原因。     

两种评价大型底栖动物堵塞滨海核电站冷源系统的风险指数

大型底栖动物是滨海湿地常见生物类群,有报道属于大型底栖动物的海地瓜(Acaudina molpadioidea)等堵塞滨海核电厂冷源系统。本研究根据2017年10月至2018年7月在大亚湾潮下带52个站位用采泥器获得的4个季节大型底栖动物数据,以及2021年3月在大亚湾潮下带4个站位底拖网获得的海地瓜数据,建立了2种评价大型底栖动物堵塞滨海核电站冷源系统的风险指数,即采泥器法风险指数(grappler method risk index,GMRI)和底拖网法风险指数(bottom trawl risk index,BTRI)。在大亚湾7种大型底栖动物中,除了冬季和春季的双鳃内卷齿蚕(Aglaophamus dibranchis),以及夏季的短吻铲荚螠(Listriolobus brevirostris)的GMRI超过50%外,毛头梨体星虫(Apionsoma trichocephala)、冠奇异稚齿虫(Paraprionospio cristata)、波纹巴非蛤(Paratapes undulatus)、海地瓜和棘刺锚参(Protankyra bidentata)等的GMRI均小于50...     

渤海海冰中太阳辐射的光谱特征观测研究

通过采用多光谱仪器,对渤海营口港一带的近岸固定冰进行了3个站位11个谱段的入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间变化过程的观测和研究。结果表明,发生在海冰中的反射辐射和透射辐射与入射太阳辐射的谱分布有明显差别,而且有显著的日变化。文章确立了入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间的变化与太阳高度角的正弦成精确的线性关系,海冰的积分反照率与太阳高度角的正弦满足二次函数关系,可将不同时刻的观测值归算到正午时刻的辐射值,使不同时刻的观测结果具有可比性。计算结果表明,海冰只衰减特定强度的辐射,衰减量与入射辐射光谱分布以及辐射的强度无关,导致绿光的透射辐射最强。该文是对渤海海冰透射辐射的初步尝试,所获得的结果对未来大范围海冰光学观测打下了基础。     

寒潮天气下高风险冰块追踪预测方法及数值模拟

为向拟建、在建和已建冰区所有冷源取水工程海域的海冰环境监测和动态风险预警提供技术支撑,本文构建了海冰–海洋耦合条件下的拉格朗日粒子追踪预测模型,并以辽东湾某核电站取水口为例,模拟并探讨了寒潮天气下高风险冰块在24 h、48 h和72 h的运移轨迹及其进入取水口的概率。结果表明,由于取水口的走向与流向和风向几乎垂直,因此在口门外随机释放的1 200个高风险冰块粒子中只有不到6%的粒子进入到取水口内。通过分区域标识粒子颜色,发现这些粒子多来自于靠近取水口300 m范围内。敏感性分析的结果表明,当释放粒子数量增至5倍时,结论不变。该项研究为冷源取水安全预警提供了一种新方法。