一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法

摘要

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，包括以下步骤：获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；对特征致灾物的密度、起动流速、沉降速度、随水运动系数等水力特性参数开展物理实验，建立包含所研究的电厂取水工程及其周边海域的整体正态水动力物理模型，模型中同时考虑潮流、波浪和明渠取水的综合作用，并选取满足密度、起动流速、沉降速度、随水运动系数相似的实体模型特征致灾物，使其可精确反映特征致灾物的真实运动特征与轨迹。

权利要求

1.一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；

步骤2：对特征致灾物的水力特性进行物理实验：根据步骤1中所述特征致灾物种类，采取实际特征致灾物样品，根据物理实验得到特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws、起动流速uc、致灾物运动速度与水流流速的比值K；

步骤3：建立包括近海电厂取水工程海域的整体正态水动力物理模型，所述水动力物理模型设计需满足水流运动相似准则与波浪运动相似准则；

所述水流运动相似准则包括水流流速相似、水流运动时间相似与取水流量相似；

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所述水流流速相似的计算公式为λv=λh ，其中λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，λv为

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水流流速相似比尺，所述水流运动时间相似的计算公式为λt=λh ，其中λt为水流运动时间相似比尺，λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型

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值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，所述取水流量相似的计算公式为λQ=λh ，其中λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，λQ为取水流量相似比尺；

所述波浪运动相似准则包括波浪形态相似与波浪周期相似；

所述波浪形态相似的计算公式为λL=λH=λh，其中λL为波长相似比尺，λH为波高相似比尺，λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值

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的比值，原型指代实际现场条件；所述波浪周期相似的计算公式为λT=λh ，其中λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，λT为波浪周期相似比尺；

步骤4：基于步骤2中对实际特征致灾物样品进行物理实验得到特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws、起动流速uc、致灾物运动速度与水流流速的比值K，选取模型特征致灾物实体，所述模型特征致灾物与现场实际致灾物的相似准则包括特征致灾物密度相似、特征致灾物沉降速度相似、特征致灾物起动流速相似与特征致灾物随水运动速度系数相似；

所述特征致灾物密度相似的计算公式为λρ=1，其中λρ为特征致灾物密度相似比尺，所述

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特征致灾物沉降速度相似的计算公式为λws=λh ，其中λws为特征致灾物沉降速度相似比尺，λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值

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的比值，原型指代实际现场条件，所述特征致灾物起动流速相似的计算公式为λuc=λh ，其中λuc为特征致灾物起动流速相似比尺，λh为水动力物理模型与原型的相似比尺，相似比尺为针对某一参数的现场原型值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，所述特征致灾物随水运动速度系数相似的计算公式为λK=1，其中λK为特征致灾物随水运动速度系数相似比尺；

步骤5：在步骤3建立的整体正态水动力物理模型基础上，布置近海电厂取水明渠原始方案：在步骤1中特征致灾物的爆发位置处布设模型特征致灾物投放断面，在整体正态水动力物理模型中输入所述近海电厂取水明渠原始方案的取水流量，所述整体正态水动力物理模型模拟潮流的运动过程，同时开启造波机模拟波浪的运动过程，在整体正态水动力物理模型中每小时于投放断面处释放模型特征致灾物，打捞并记录模型特征致灾物在水流、波浪作用下被卷吸进入取水明渠内的数量；

步骤6：将取水明渠的口门形式调整为弧形，得到调整方案，针对调整方案开展步骤5中的水动力物理模型模拟潮流的运动过程，在模拟过程中保持水动力物理模型中的造流、造波、取水流量与近海电厂取水明渠原始方案完全相同，模型特征致灾物类型、投放位置、投放初始时刻、投放终止时刻与近海电厂取水明渠原始方案完全相同，调整完成后对比原始方案和调整方案被卷吸进入取水明渠内的模型特征致灾物数量，以最小的模型特征致灾物数量作为最佳取水方案，最佳取水方案具有最低的卷吸效应。

2.根据权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤2中的物理实验为：在实验室水槽内投撒所述特征致灾物样品，于静水环境下测量得到所述特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws；在实验室水槽内生成与现场相同的流速，测量特征致灾物样品的运动状态和运动速度，得到特征致灾物样品的起动流速uc与致灾物运动速度与水流流速的比值K。

3.根据权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤3中的水动力物理模型的计算范围覆盖实测潮位站点、实测流速站点、推算波浪站点与特征致灾物爆发位置。

4.根据权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤4中模型特征致灾物实体的水平尺寸、垂向尺寸均小于3cm。

5.根据权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，其特征在于：所述造波机的下方布设有通流槽，用于保障造波机的安装不阻挡水流运动。

说明书

一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法。

背景技术

[0002] 目前，我国当前在营核电机组达47台，均建设于近海区域，采用直流循环海水的方式冷却发电机组，在运行过程中需要大量海水作为冷却水，采用建设取水明渠是最为常见的取水工艺。近岸局部海域污染严重，常有大量海洋垃圾漂浮于海面，加之近岸养殖业的发展进一步增加了海洋生物的富营养化现象，以致例如藻类（浒苔、赤潮、海带等）、水母、毛虾、贝壳、尖笔帽螺、海地瓜等小型海洋生物灾害频发，以上致灾污染物（漂浮垃圾或小型海洋生物）无游泳能力或游泳能力极弱，其运动形态体现出“随波逐流”的运动特征，即在潮流、波浪携带下输送。由于近海环境流较弱，明渠大量、持续取水改变了局部流态，使取水明渠口门成为了区域性流场“黑洞”，在取水作用下海生物及漂浮垃圾（以下简称“特征致灾物”）可持续进入取水明渠内，并在取水泵房前持续聚集，即“卷吸”效应。核电厂取水系统的堵塞可对机组的运行产生严重影响，导致机组被迫降低功率或停堆停机。近年来，我国相关异常报告的数量呈增长态势。其他国家核电厂近十年也发布了上百起取水系统堵塞的事件，引发了一系列工程问题。因此，取水明渠口门对特征致灾物的卷吸，已成为影响核电站冷源安全的重要隐患。

[0003] 为避免机组运行时水中特征致灾物被卷吸进入循环水泵房内，当前广泛采用的措施是在取水明渠口门或内部设置拦污设施（拦截网），以提前捕获特征致灾物，避免其直接随水流进入泵房，并对拦截网进行定期清理和更换。然而，这种“拦截”的方式为被动式，无法从本质上解决取水明渠的特征致灾物卷吸问题。同时，放任海生物被电厂取水卷吸并丢弃，也是对海洋生态资源的巨大浪费。鉴于以上原因，与被动“拦截”卷吸特征致灾物的思路相比，近年一种新的思路引起了更多重视，即为主动“规避”，其原理在于通过调整取水明渠口门的工艺布置方案，使其能借用天然潮流的作用，尽可能减少所能够卷吸进入明渠的海生物（特征致灾物），缓解电厂的冷源安全压力；同时，这种方式也可进一步保护宝贵的海生物资源，避免电厂大量卷吸导致的海洋生态损失。

[0004] 对取水明渠卷吸效应及评估的研究是新兴学科，严重缺乏经验和标准。由于取水明渠内受到波浪、潮流和明渠取水等多种动力因素的综合影响，故明渠口门的流态极为复杂。在当前的海岸工程水动力模拟技术中，数学模型和物理模型试验是两类主流方法。总体来说，数学模型由于不存在缩尺效应、成本低廉，近年来得到了广泛应用，但其模拟精度受限于所采用的理论方程体系，尤其是即使采用三维数学模型，由于受到网格数量和数值计算理论的限制，在描述建筑物局部细观流态，特别是涡旋场的作用仍存在精度不足的天然缺陷，而取水明渠口门的流态恰呈复杂的三维涡旋特征，限制了数学模型的精度和代表性。此外，实际海洋中特征致灾物的运动呈“随波、逐流”的特征，故波浪、水流等2个动力因子同等重要。然而，在当前对卷吸效应研究的数值模拟技术中，一般仅考虑潮流和取水的作用，即仅有“逐流”，即使考虑波浪动力，也仅将其时均化，而不考虑波浪内部的水质点运动过程；但是，在实际海域中的特征致灾物运移中，波浪质点振荡导致的“净漂流”会直接影响特征致灾物的运移轨迹，即“随波”，这就解释了为何台风大浪过后于海岸线会发生大量垃圾和海生物富集。在物理模型中，由于可有效施加波浪的作用，动力环境较数学模型更加真实，同时在物理模型中可实际投撒具有代表性的“模型特征致灾物”，其在波流联合作用下的运动规律更加接近现场实际条件。因此，在取水明渠卷吸效应研究中，物理模型试验也是不可或缺的关键研究手段，尤其是在取水明渠口门的细致优化中，其技术优势将进一步扩大。

[0005] 目前对近海电厂取水明渠的卷吸效应研究中，多采用数学模型试验手段。然而，数学模型在取水明渠口门附近的三维流场模拟精度有所缺失，且受到算力牵制，尤其是不能叠加考虑波浪这一重要动力对特征致灾物运移的影响，限制了其进一步细化应用。物理模型虽存在动力环境可靠、动力因素全面等优势，但对卷吸模拟中的相似准则和研究方法尚属空白，以下分别详述：

[0006] 1.数学模型在取水明渠口门附近的流态模拟精度尚有缺失

[0007] 对取水卷吸效应的研究高度依赖于取水口门附近及外海的流态，故流态模拟的真实度控制了研究成败。然而，当前数学模型存在的最大困境为无法兼顾“尺度”和“精度”，其中三维CFD技术受制于极为细小的网格尺度，仅能对至多数十米的范围进行精细化刻画，但天然取水明渠口门宽度至少100m以上，大尺度计算需数十亿网格，即使采用超级计算也无法满足工程需求；基于浅水平台的三维数学模型可计算较大范围，但牺牲了垂向动量描述和局部网格的精细度，必然牺牲了口门局部，尤其是防波堤附近流态的模拟精度。综上所述，当前三维数学模型仅能在“精度”和“尺度”之间做出取舍，是难以逾越的鸿沟。

[0008] 2.现有卷吸相关研究中缺乏对波浪动力的考量

[0009] 在天然海岸中始终存在波浪作用，尤其是波浪传播至近岸后发生浅水非线性演化，导致一个波浪周期下存在物质的净输送和波浪净漂流，直接影响了特征致灾物的运移轨迹。现有数学模型技术中，仅考虑潮流和取水的影响，无法施加波浪的影响，导致了重要动力因子的缺失，所预测得到的特征致灾物运移轨迹势必与现场实际情况有所偏差。

[0010] 3.现有物理模拟技术中缺乏对模型特征致灾物选取的相似理论

[0011] 水动力物理模型中通过相似理论保障模型中的水动力参数可代表现场条件，所谓相似理论，即通过一系列参数相似比尺公式换算，将现场的水流、波浪、流量等参数折算至模型中，建立“模型参数”和“现场参数”之间的换算关系，进而保障模型中的水动力与现场实际水动力的“等价”。目前现有水动力物理模拟技术中在波浪、水流等方面均存在十分成熟的模型相似理论，见现行《水运工程模拟试验技术规范》（JTS/T 231‑2021）。然而，鉴于卷吸效应研究这一课题本身的新颖性，当前对特征致灾物模拟的相似理论尚属空白，无任何经验参考。尤其是现场特征致灾物种类繁杂，例如海带、浒苔等藻类主要位于海水表面，属“表面漂浮型”，水母和毛虾分布在水下，属“中层浮游型”，而海地瓜、沙蚕、蛤蜊等则栖息于底床，属“底层运移型”，以上各类致灾物密度不同，具有自身的随水运动特性，例如存在自身的沉降速度、起动流速，且在水中的运动速度与水流流速并不完全相同，而是有一个相关系数。此外，物理模型中由于试验比尺的限制，也无法直接采用几何相似比尺对特征致灾物进行缩放，例如毛虾的实际尺度仅有数毫米，如直接采用几何相似比尺缩放（例如长度比尺为50，即模型特征致灾物尺寸需达到毛虾实际尺寸的1/50），则模型特征致灾物在制作中是无法实现的。综合以上论述，在致灾物卷吸效应的研究中，迫切需发展新型的模型特征致灾物相似理论。

[0012] 对此，本申请特提出一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法以解决上述技术问题。

发明内容

[0013] 本发明提供了一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，本发明即围绕以上需求，创新性提出了一种近海电厂取水明渠特征致灾物卷吸效应的物理模拟方法，形成了通用、规范化的试验模拟相似理论、成套方法及设计方案优化比选原则，该方法理论清晰、逻辑严谨、具有极强的可操作性，可为近海电厂取水明渠方案的卷吸效应评估，以及防卷吸方案设计提供可靠的技术依据。

[0014] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，包括以下步骤：

[0015] 步骤1：获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；

[0016] 步骤2：对特征致灾物的水力特性进行物理实验：根据步骤1中所述特征致灾物种类，采取实际特征致灾物样品，根据物理实验得到特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws、起动流速uc、致灾物运动速度与水流流速的比值K；

[0017] 步骤3：建立包括近海电厂取水工程海域的整体正态水动力物理模型，所述水动力物理模型设计需满足水流运动相似准则与波浪运动相似准则；

[0018] 所述水流运动相似准则包括水流流速相似、水流运动时间相似与取水流量相似；

[0019] 所述水流流速相似的计算公式为λv=λh1/2，其中λh为水动力物理模型与现场的几何1/2
尺寸相似比尺，λv为水流流速相似比尺，所述水流运动时间相似的计算公式为λt=λh ，其中λt为水流运动时间相似比尺，λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，所述取水流
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量相似的计算公式为λQ=λh ，其中λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，λQ为取水流量相似比尺；

[0020] 所述波浪运动相似准则包括波浪形态相似与波浪周期相似；

[0021] 所述波浪形态相似的计算公式为λL=λH=λh，其中λL为波长相似比尺，λH为波高相似比尺，λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺；所述波浪周期相似的计算公式为λT1/2
=λh ，其中λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，λT为波浪周期相似比尺；

[0022] 步骤4：基于步骤2中对实际特征致灾物样品进行物理实验得到特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws、起动流速uc、致灾物运动速度与水流流速的比值K，选取模型特征致灾物实体，所述模型特征致灾物与现场实际致灾物的相似准则包括特征致灾物密度相似、特征致灾物沉降速度相似、特征致灾物起动流速相似与特征致灾物随水运动速度系数相似；

[0023] 所述特征致灾物密度相似的计算公式为λρ=1，其中λρ为特征致灾物密度相似比尺，1/2
所述特征致灾物沉降速度相似的计算公式为λws=λh ，其中λws为特征致灾物沉降速度相似比尺，λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，所述特征致灾物起动流速相似的
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计算公式为λuc=λh ，其中λuc为特征致灾物起动流速相似比尺，λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，所述特征致灾物随水运动速度系数相似的计算公式为λK=1，其中λK为特征致灾物随水运动速度系数相似比尺；

[0024] 步骤5：在步骤3建立的整体正态水动力物理模型基础上，布置近海电厂取水明渠原始方案：在步骤1中特征致灾物的爆发位置处布设模型特征致灾物投放断面，在整体正态水动力物理模型中输入所述近海电厂取水明渠原始方案的取水流量，所述整体正态水动力物理模型模拟潮流的运动过程，同时开启造波机模拟波浪的运动过程，在整体正态水动力物理模型中每小时于投放断面处释放模型特征致灾物，打捞并记录模型特征致灾物在水流、波浪作用下被卷吸进入取水明渠内的数量；

[0025] 步骤6：将取水明渠的口门形式调整为弧形，得到调整方案，针对调整方案开展步骤5中的水动力物理模型模拟潮流的运动过程，在模拟过程中保持水动力物理模型中的造流、造波、取水流量与近海电厂取水明渠原始方案完全相同，模型特征致灾物类型、投放位置、投放初始时刻、投放终止时刻与近海电厂取水明渠原始方案完全相同，调整完成后对比原始方案和调整方案被卷吸进入取水明渠内的模型特征致灾物数量，以最小的模型特征致灾物数量作为最佳取水方案，最佳取水方案具有最低的卷吸效应。

[0026] 进一步，所述步骤2中的物理实验为：在实验室水槽内投撒所述特征致灾物样品，于静水环境下测量得到所述特征致灾物样品的密度ρ、沉降速度ws；在实验室水槽内生成与现场相同的流速，测量特征致灾物样品的运动状态和运动速度，得到特征致灾物样品的起动流速uc与致灾物运动速度与水流流速的比值K。

[0027] 进一步，所述步骤3中的水动力物理模型范围覆盖实测潮位站点、实测流速站点、推算波浪站点与特征致灾物爆发位置。

[0028] 进一步，所述步骤4中模型特征致灾物实体的水平尺寸、垂向尺寸均小于3cm。

[0029] 进一步，所述造波机的下方布设有通流槽，用于保障造波机的安装不阻挡水流运动。

[0030] 本发明的优点在于：本发明提供了一种近海电厂取水卷吸效应研究的物理模拟方法，具有以下优点：

[0031] 1.本发明中提出采用物理模型手段进行水动力场加载，模型中对水动力的呈现形式为真实水体，其介质连续，与数学模型相比无网格数量和算力困扰，尤其是可将各类复杂建筑物通过比尺缩放精准刻画，且在试验中投撒实体物质代表特征致灾物，较数学模型而言大幅提高了模拟精度。

[0032] 2.本发明提出了一种在波浪、水流联合作用下的物理模拟方法，通过在模拟中增加造波机的手段，构造全面的动力环境，同时为避免造波板的阻流效应，提出了于造波板下方设置“通流槽”的试验手段，同时保障了波浪动力的准确施加和模型内水流的通畅。

[0033] 3.本发明中提出了模型特征致灾物与现场实际特征致灾物“密度相似”、“沉降速度相似”、“起动流速相似”、“随水运动速度系数相似”等4个相似准则，创造性的提出了卷吸效应研究的物理模拟相似理论。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035] 图1为本发明物理模拟方法的流程框图；

[0036] 图2为拟开展优化的电厂取水明渠布置结构示意图；

[0037] 图3为建立的物理模型范围及试验设施示意图；

[0038] 图4为本发明造波机下通流槽剖面结构示意图；

[0039] 图5为本发明中模拟所得潮位与实测潮位的对比示意图；

[0040] 图6为本发明中模拟所得流速与实测流速的对比示意图；

[0041] 图7为本发明中模拟所得流向与实测流向的对比示意图；

[0042] 图8为表面漂浮型模型特征致灾物的投加位置示意图；

[0043] 图9为模型特征致灾物投加时间示意图；

[0044] 图10为原始取水明渠方案表层漂浮型特征致灾物运动轨迹分布示意图；

[0045] 图11为调整取水明渠方案表层漂浮型特征致灾物运动轨迹分布示意图；

[0046] 其中：

[0047] 1、取水明渠；          2、防波堤；

[0048] 4、取水口；            5、岸线；

[0049] 7、潮位实测站；      8、潮流实测站；

[0050] 10、模型取水明渠；  11、模型抽水泵；

[0051] 13、造波机；           14、实测潮流站；

[0052] 16、通流槽上缘；   17、通流槽底缘；

[0053] 19、收集网；           20、模型底面；

[0054] 22、通流槽边坡；   23、造波机轴承；

[0055] 25、模型特征致灾物；  26、特征致灾物投放起始时刻；

[0056] 28、特征致灾物投加总时长；  29、新增防波堤；

[0057] 31、收集网拦截的特征致灾物。

具体实施方式

[0058] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0059] 在本发明的描述中，需要说明的是，本发明专利中提出的模型特征致灾物“密度相似”、“沉降速度相似”、“起动流速相似”、“随水运动速度系数相似”等名词为原创，对应的理念如本文件所述，一切采用该概念中对应理念的研究方法，即使更改概念名词，也属于本发明专利的保护范围之内。

[0060] 实施例1：

[0061] 图1为本发明物理模拟方法的流程框图，如图1所示，以近海电厂防海生物卷吸方案优化过程为实施例，详述本发明的实施方案：

[0062] 图2为拟开展优化的电厂取水明渠1布置结构示意图，如图2所示，该电厂位于平直海岸，原始方案由两条防波堤2构成取水明渠1，重件码头3设置在取水明渠1的一侧，所述取3
水明渠1的陆地末端布置取水口4，取水流量80m/s；取水明渠1所在海域设置潮位实测站7、潮流实测站8各1个，该电厂当前遭遇了明显的特征致灾物卷吸，拟应用本发明中提出的物理模拟方法，对取水明渠1平面布置进行优化设计，选取合理的特征致灾物卷吸抑制调整方案。

[0063] 执行步骤1，对特征致灾物进行现场调研，经现场调研，确定该电厂发生卷吸灾害的主要特征致灾物爆发位置为东北侧沿岸1.6km处的养殖区，具体致灾物类型为养殖筏流失的短型空心木棍。

[0064] 执行步骤2，对特征致灾物水力特性进行物理实验：于实验室水槽内投撒所述木棍3
实体，于静水环境下测量得到所述木棍的密度为ρ=0.31g/cm ，其形态为漂浮于水面，沉降速度ws=0；于实验室水槽内生成与现场相同的流速，测量木棍的运动状态和运动速度，得到木棍的起动流速uc=0.03m/s（注：起动流速的定义为木棍开始发生运动时对应的现场水流流速），木棍的运动速度为水流运动速度的0.724倍，即木棍的K=0.724，以上参数可直接应用于步骤4的模型特征致灾物选取中。

[0065] 执行步骤3，在波流共同作用下建立物理模型并验证水动力，建立包括近海电厂取水工程海域的整体正态水动力物理模型，所述水动力物理模型设计满足水流运动相似准则与波浪运动相似准则；

[0066] 所述水流运动相似准则包括水流流速相似、水流运动时间相似与取水流量相似；

[0067] 所述水流流速相似的计算公式为λv=λh1/2，其中λh为模型与现场的几何尺寸相似比1/2
尺，λv为流速相似比尺，所述水流运动时间相似的计算公式为λt=λh ，其中λt为水流运动时间相似比尺，其中λh为水动力物理模型与现场的几何尺寸相似比尺，所述取水流量相似的
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计算公式为λQ=λh ，其中λQ为取水流量相似比尺；

[0068] 所述波浪运动相似准则包括波浪形态相似与波浪周期相似；

[0069] 所述波浪形态相似的计算公式为λL=λH=λh，其中λL为波长相似比尺，λH为波高相似1/2
比尺；所述波浪周期相似的计算公式为λT=λh ，其中λT为波浪周期相似比尺；

[0070] 需说明的是，以上表达式中符号λ的含义为相似比尺，下标表示所代表的参数，相似比尺即为针对某一参数的现场原型值与模型值的比值，原型指代实际现场条件，例如当现场取水明渠1的几何长度为B，则模型中的取水明渠1几何长度为B/λh，当现场流速为u，则模型中的流速为u/λu，当现场的时间长度为t，则模型中的时间长度为t/λt，以此类推。

[0071] 图3为建立的物理模型范围及试验设施示意图，如图3所示，于40m×60m的大型试验厅内制作水动力整体正态物理模型，模型与现场的几何相似比尺为λh=50，其它水流、波浪要素的相似比尺可通过计算得到，即λu=λv=λt=λT=7.07,λQ=17677.67,λH=λL=50。所述物理模型三面设置可逆生潮泵以构造潮流环境，于具有波浪推算值数据的位置设置造波机13以构造波浪环境，造波机13通过造波机轴承23安装在造波机支撑架24上，所述造波机13下方开挖通流槽，所述通流槽宽度与造波机13的造波板宽度相等，图4为本发明造波机下通流槽剖面结构示意图，所述通流槽和造波机13的剖面布置形态见图4所示，通流槽具有通流槽上缘16与通流槽底缘17，通流槽的设置可保障水流运动中从造波机13下方平顺穿过，不受造波板的阻挡。模型的取水明渠1末端设置模型抽水泵11，所述模型抽水泵11的抽水流量按流量相似比尺λQ给定；图2中造波机13处的现场波高为H=1.52m、波浪周期为T=7.6s，模型中根据波高相似比尺λH=50、波浪周期相似比尺λT=7.07给定，模型中的流速按流速相似比尺λv=7.07给定，模型中的时间按时间相似比尺λt=7.07给定。所述取水明渠1中安装收集网19，目的为拦截后续试验中进入取水明渠1的模型特征致灾物，进而便于统计特征致灾物数量。

[0072] 通过反复调试图3中可逆生潮泵12的流量，以及造波机13的造波参数，保证模型中得到的潮位、流速、流向、波高、波周期经比尺换算后与实测值达到良好的一致性，精度满足现行《水运工程模拟试验技术规范》(JTS/T 231‑2021)要求。图5中示意了物理模型模拟所得结果换算至现场值后，与图2中所述潮位实测站的测量数据对比情况，经对比潮位误差绝对值0.07m；图6中示意了物理模型模拟所得结果换算至现场值后，与图2中所述潮流实测站8的流速测量资料对比情况，经对比平均流速误差绝对值为9.78%；图7中示意了物理模型模拟所得结果换算至现场值后，与图2中所述潮流实测站8的流向测量资料对比情况, 经对比平均流向误差绝对值为11°；证实了所建水动力物理模型精度符合现行《水运工程模拟试验技术规范》(JTS/T231‑2021)要求，模型可准确反映工程海域的波浪、水流动力特征。

[0073] 执行步骤4，布置近海电厂取水明渠原始方案，开展卷吸效应物理模型实验：对模型致灾物进行选取与论证，基于步骤2中对现场特征致灾物水力特性的实验结果，论证选取模型特征致灾物实体，所述模型特征致灾物的相似比尺包括特征致灾物密度相似、特征致灾物沉降速度相似、特征致灾物起动流速相似与特征致灾物随水运动速度系数相似；

[0074] 所述特征致灾物密度相似的计算公式为λρ=1，模型中的示踪物和现场的物质密度需保持一致，保证在水中的位置相似，其中λρ为特征致灾物密度相似比尺，所述特征致灾物1/2
沉降速度相似的计算公式为λws=λh ，其中λws为特征致灾物沉降速度相似比尺，所述特征致
1/2
灾物起动流速相似的计算公式为λuc=λh ，其中λuc为特征致灾物起动流速相似比尺，所述特征致灾物随水运动速度系数相似的计算公式为λK=1，其中λK为特征致灾物随水运动速度系数相似比尺；经计算，λωs=λuc=7.07。

[0075] 根据步骤2中获取的水力特性参数，得到木棍密度为ρ=0.31g/cm3，沉降速度ws=0，即可不考虑沉降速度，起动流速uc=0.03m/s，随水运动速度系数K=0.724。如图8所示，在模型特征致灾物的选取中，对代表木棍的模型特征致灾物实体选用短圆棍型塑料物质，长度为1.12cm，棍直径为0.4cm（需特别指出的是，模型特征致灾物的选取无需满足与现场特征致灾物的几何尺寸相似，因为单个模型特征致灾物并不代表单个现场特征致灾物，而是代3
表其所在区域的特征致灾物整体随水运动性质），模型特征致灾物密度为ρ=0.31g/cm ，沉降速度ws=0，起动流速uc=0.004m/s，随水运动速度系数K=0.724，满足密度相似比尺、沉降相似比尺、起动流速相似比尺、随水运动速度系数比尺要求。

[0076] 执行步骤5，对取水明渠方案进行卷吸效应试验及模型致灾物数量统计，基于步骤3中建立的物理模型，图2为拟开展优化的电厂取水明渠1布置结构示意图，针对图2中所示的双直堤型取水明渠原始方案（以下简称原始方案）开展卷吸效应试验模拟。在本步骤中以木棍特征致灾物为例阐明试验流程，由于步骤1中已分析得到木棍来源为东北侧沿岸1.6km处的养殖区，故投放图8中的表面漂浮型模型特征致灾物，投放时刻选取为落潮初始直至落潮结束，共现场条件下8小时（即8次），如图9所示，特征致灾物投放断面18位置如图10所示，试验中于每509秒于该断面均匀投放100个模型特征致灾物（需特别说明的是，根据时间比尺λt=7.07换算，现场1小时3600s在模型中为509秒），即共投加800个模型特征致灾物。图10中示意了原始方案条件下模型特征致灾物在某时刻投加后的随波浪、水流运动轨迹（需说明的是为清晰显示，图10中仅绘制5个点作为示意）。试验结束后，统计收集网19前方被卷吸进入取水明渠1内的特征致灾物，得到原始方案的卷吸特征致灾物数量为471个。

[0077] 执行步骤6，对取水明渠1口门卷吸效应评估及方案优化，考虑到避免来自东北侧的漂浮木棍直接在潮流、波浪作用下进入取水明渠1，如图11所示，将取水明渠1的口门形式调整为弧形，其中新的口门位置开向西南侧，得到调整方案。针对所述调整方案开展步骤5中的试验模拟。在以上过程中均保持模型中的造流、造波、取水流量过程，以及与模型特征致灾物投放形式相关的各项参数，包括模型特征致灾物类型、投放位置、投放初始时刻、投放终止时刻完全相同。图11中示意了调整方案相关模型特征致灾物质点运动轨迹，试验结束后，统计收集网19前方被卷吸进入取水明渠1内的特征致灾物，得到调整方案的卷吸特征致灾物数量为373个，相比原始方案的卷吸特征致灾物数量471个降低了20.8%，证实了调整方案在抑制来自东北侧的漂浮木棍卷吸灾害方面是切实有效的，为值得推荐的较优方案。

[0078] 本发明创新性提出了一种近海电厂取水明渠特征致灾物卷吸效应的物理模拟方法，该方法覆盖了物理模型的“相似理论‑设计‑建立‑验证‑试验‑统计‑分析”全流程，形成了通用、规范化的卷吸效应研究模型相似理论、试验研究成套方法及防卷吸方案优化比选原则，该方法理论清晰、逻辑严谨、具有极强的可操作性，可为近海电厂取水明渠防卷吸方案的设计提供可靠的技术依据。

[0079] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。