Μαθηματική προσομοίωση θερμικής ρύπανσης σε παράκτιες περιοχές

Abstract

Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας που βρίσκονται κοντά σε παράκτιες περιοχές χρησιμοποιούν συχνά μεγάλες ποσότητες θαλασσινού νερού για την ψύξη των μηχανημάτων τους και στη συνέχεια διαθέτουν τα θερμά νερά στη θάλασσα. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία γίνεται διερεύνηση των συνθηκών του παράκτιου περιβάλλοντος στην περιοχή Μαντούδι της Νότιας Εύβοιας. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται η υδροδυναμική συμπεριφορά και η χρονική εξέλιξη της θερμοκρασίας στην ευρύτερη παράκτια περιοχή διάθεσης των θερμών νερών σε περίπτωση κατασκευής αγωγού απόληψης και διάθεσης νερών που θα χρησιμοποιηθούν για την ψύξη των μηχανημάτων του Ενεργειακού Κέντρου Μαντουδίου. Η διερεύνηση των επιπτώσεων της διάθεσης των θερμών νερών με αγωγό μονού στομίου στη θερμοκρασία του νερού στις περιοχές απόληψης και περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος (π.χ. ακτές) αποτελούν στόχο της εργασίας. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε δύο επί μέρους πεδία μελέτης στα οποία η παράκτια κυκλοφορία και η εξέλιξη της θερμοκρασιακής μεταβολής είναι αποτέλεσμα διαφορετικών μηχανισμών και διεργασιών. Στο κοντινό πεδίο η ροή επηρεάζεται κυρίως από τα αρχικά χαρακτηριστικά της φλέβας των θερμών νερών ενώ στο μακρινό πεδίο η ροή επηρεάζεται κυρίως από την κίνηση του αποδέκτη. Στο μακρινό πεδίο οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τον υπολογιστικό κώδικα FLOW-3DL που έχει δομηθεί στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Υδραυλικής της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. Η βασική δομή του κώδικα στηρίζεται στις εξισώσεις τριών διαστάσεων συνέχειας και διατήρησης της ορμής για μη μόνιμη ροή, διατυπωμένες για στρώματα νερού σταθερού πάχους, στα οποία υποδιαιρείται το εξεταζόμενο πεδίο. Οι διαφορικές εξισώσεις επιλύονται αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Το συνεχές πεδίο υπολογισμού διακριτοποιείται σε μικρές ορθογωνικές περιοχές (διαφορικοί όγκοι). Στους διαφορικούς όγκους γίνεται η ολοκλήρωση των διαφορικών εξισώσεων κατά βάθος και προκύπτουν οι αριθμητικές λύσεις. Ο κώδικας FLOW- 3DL χρησιμοποιεί ρητό (explicit) σχήμα επίλυσης με έκκεντρο κάνναβο στο χώρο και με εμπρόσθιες διαφορές στο χρόνο. Για τους υπολογισμούς στο κοντινό πεδίο και τη σύνδεσή τους με τους υπολογισμούς στο μακρινό πεδίο προστέθηκε στον κώδικα FLOW-3DL μια νέα υπολογιστική διαδικασία (υπορουτίνα) που η ανάπτυξή της στηρίχτηκε στις εξισώσεις του μοντέλου CorJet (Jirka, 2004). Στόχος ήταν η δημιουργία ενός ολοκληρωμένου μοντέλου μαθηματικής προσομοίωσης θερμικής ρύπανσης. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν αρχικοί υπολογισμοί με το μοντέλο κοντινού πεδίου CORMIX.

Power plants located in the coastal zone use normally large quantities of cooling waters that are discharged into the marine environment. In the present thesis the hydrodynamic conditions (flow velocities) and the excess temperature in the coastal region of Mantoudi are calculated for the case of the construction of a system for thermal discharges which consists of a pipe for the sea water abstraction and a single port diffuser for the discharge of the thermal waters. The excess temperature in the coastal environment caused by the discharge of the thermal waters is used to evaluate the impact on the coasts of the region and the effectiveness of the construction of the “cool” sea water intake. In thermal discharges there is a wide range of space and time scales in the main regions of flow which constitutes the near field (NF) that covers an area ranging from a few meters to a few hundred meters (including the intermediate region) and the far field (FF) that extends a few kilometers. The far field calculations were executed using the far-field model FLOW-3DL. The hydrodynamic model FLOW-3DL involves the 3-D non-steady state continuity and momentum equations, expressed in layer formulation. Using fixed permeable interfaces between layers, the equations of the model are vertically integrated over a depth range hi, corresponding to the computational layer “i” of that thickness. The explicit scheme and the method of the central differences scheme were applied for the temporal discretization and for the spatial discretization, respectively. A new subroutine was made based on the equations of the model CorJet (Jirka, 2004) for the calculations in the near filed and for the coupling of the NF and the FF model. The purpose of the thesis was the development of a new integrated mathematical model for thermal discharges. Preliminary calculations with the near filed model CORMIX were also executed.