Mathematical modeling of selective water intake processes in a two-layer stratified reservoir
Authors: Музаев И.Д. 
Published: September 2024

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

Relevance. The use of selective methods of water intake from a stratified reservoir is extremely necessary for the water supply of thermal and nuclear power plants. To avoid overheatingof the turbine condensers of these important facilities and thereby avoid creating an emergency situation in them in the summer, it is necessary to supply water to them from the deep layerof the reservoir, where the water is 8-10° colder than in the upper layer. Water fromthe clarified clean and cold layerof the stratified reservoir of the water supply source should be taken, if the water inthe lower layer is heavily polluted. Calculations and design of selective water intake deviceshave been carried out according to highly simplified empirical formulas up tothe present time. There were no scientifically based methodsfor calculating the selective water intake process. Scientific novelty. In the presented work, for the first time inthe world, a selective water intake processis strictly modeled physics-mathematically using theoretical hydrodynamics, mathematical physics and computer methods. Aim. Development of a set of formulas for calculating and controlling selective water intake processes in the design application of water intake devices. Conducting computer computational experiments to determinethe input parameters of the intake device,the mark of its depth in the reservoir, as well as the critical valueof the water flow rate (velocity) taken away. Methods. An initial boundary value problem of mathematical physics modeling a selectivewater intake process ina stratified reservoir was set and solved. The methods of operational calculus and two-fold trigonometric Fourier seriesare used. Results. The resulting set of calculation formulas fully contains all the input parametersof the reservoir and the intake device. The use of the research results at the design stage significantly increases the selectivity and profitability of the water intake device.