Математическое моделирование селективных водозаборных процессов в двухслойном стратифицированном водоеме

И.Д. Музаев

doi:10.46698/y4376-5315-2395-x

И.Д. Музаев Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН,Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Маркова, 93а; Владикавказский филиал Финансового университета при правительстве Российской Федерации, Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Молодежная, 7

DOI: https://doi.org/10.46698/y4376-5315-2395-x

Ключевые слова: стратифицированный водоем, селективный водозаборный процесс, начально-краевая задача, критические положения поверхности раздела слоев

Резюме

Актуальность работы. Применение селективных способов забора воды из слоисто-стратифицированного водоема крайне необходимо для водоснабжения тепловых и атомных электростанций. Для исключения перегрева конденсаторов турбин этих важных объектов и тем самым исключения создания в них аварийной ситуации в летнее время необходимо подавать к ним воду из глубинного слоя водоема, где вода бывает холоднее на 8‒10° чем в верхнем слое. Когда вода в нижнем слое сильно загрязнена, то воду надо забирать из осветленного чистого и холодного слоя стратифицированного водоема источника водоснабжения. Вплоть до настоящего времени расчеты и проектирование селективных водозаборных устройств выполнялись по сильно упрощенным эмпирическим формулам. Не существовало научно обоснованных методов расчета селективного водозаборного процесса. Научная новизна. В представленной работе впервые в мире физико-математически строго смоделирован селективный водозаборный процесс на базе теоретической гидродинамики, математической физики, вычислительной математики, с использованием компьютерных методов. Цель исследования. Разработка совокупности расчетных формул для вычисления и управления селективными водозаборными процессами в приложении проектирования водозаборных устройств. Проведение компьютерных вычислительных экспериментов по определению входных параметров водозаборного устройства, отметки его заглубления в водоеме, а также критического значения расхода (скорости) забираемой воды. Методы исследования. Поставлена и решена начально-краевая задача математической физики, моделирующая селективный водозаборный процесс в стратифицированном водоеме. Использованы методы операционного исчисления и двукратные тригонометрические ряды Фурье. Результаты исследования. Полученная в результате совокупность расчетных формул полностью содержит все входные параметры водоема и водозаборного устройства. Использование результатов исследования на этапе проектирования существенно повышает селективность и рентабельность водозаборного устройства.

Литература

Аверкиев А.Г., Макаров И.И., Синотин В.И. Бесплотинные водозаборные сооружения. М.-Л.: Энергия, 1969. – 164 с.

Белолипецкий В.М., Костюк В.Ю., Шокин Ю.И. Математическое моделирование течений стратифицированной жидкости. Новосибирск: Наука, 1991. – 176 с.

Букреев В.И. Способ управления селективным водозабором через отверстие в вертикальной стенке. // Прикладная механика и техническая физика. – 2010. – Т. 51. No 3. – С. 49–54.

Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи. Л.: Изд. Ленинградского университета, 1970. – 378 с.

Заалишвили В.Б., Музаев И.Д. Один эффективный метод решения начально-краевых задач поперечных колебаний балки с учетом ее внутреннего сопротивления. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 12. No 2. – С. 55–66. DOI: 10.46698/VNC.2023.63.12.005.

Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1977. – 818 с.

Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. – 710 с.

Ламб Г. Гидродинамика. М.-Л.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1947. – 929 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1977. – 735 с.

Методические указания по технологическим расчетам водоемов-охладителей. / Исполнители А.С. Соколов, И.И. Макаров, В.И. Кравец, З.Р. Филиппова. СПб.: ВНИИГ, 2003. – 116 с.

Музаев И.Д., Туаева Ж.Д. Математическое моделирование проблем охраны окружающей среды. М.: Научный мир, 2003. – 96 с.

Музаев И.Д., Харебов К.С., Музаев Н.И. Теоретические положения автоматизации проектирования селективных водозаборных устройств. // Вычислительные технологии. – 2016. – Т. 21. No 4. – С. 99–110.

Справочник по гидравлике. / Под ред. В.А. Большакова. Киев: Вища Школа, 1977. – С. 223–225.

Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости. М.: Наука, 1977. – 815 с.

Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. – 735 с.

Шокин Ю.И., Рычков А.Д., Хакимзянов Г.С., Чубаров Л.Б. О численных методах решения задач о накате волн на берег. // Вычислительные технологии. – 2015. – Т. 20. No 5. – С. 214–232.

Craya A. Recherches theorignes sur l’ecoulement de couches superposees de fluides de densites defferents. // La Houil le Blanche. – 1949. – Vol. 4. – pp. 44–55.

Gyoo-Bum Kim, Wan-Soo Kim, Jung-Hoon Park, Yeong-Cheol Son, Jin-Woo Kim. Justification of operating capacity of selective intake structure (flexible type) in winter conditions. // The journal of Engineering Geology. – 2013. – Vol. 23. Issue 3.– pp. 227–234.

Harleman D.R.F., Stozenbach K.D. Fluid mechanics of heat disposal from power generation. // Annual Review of Fluid Mechanics. – 1972. – Vol. 4. – pp. 7–32.

Lyubimova T.R., Parshakova Ya.N., Lepikhin A.P., Luakhin Yu.S. Increasing the stability of cooling reservoirs by using selective water intake schemes. // Water and Ecology. – 2020. – Vol. 25. Issue 2. – pp. 45–58. DOI: 1023968/2305-34882020.25.2.45-58.