流體動力學總結

環(huán)境流體力學是流體力學的一個分支。環(huán)境主要指水環(huán)境與大氣環(huán)境。主要任務是研究污染物質在水體或大氣中的擴散或輸移規(guī)律， 如廢水排放或廢氣排放。環(huán)境流體力學又稱污染流體力學。主要目標是污染物排入水體或大氣后，由于擴散或輸移所造成的污染物濃度隨空間和時間的變化規(guī)律。主要方法是研究示蹤物質（tracer）在水體或大氣中的擴散或輸移， 不考慮由化學或生物等因素所產(chǎn)生的轉化或降解作用。示蹤物質指在流體中擴散和輸移時不發(fā)生化學反應或生化反應的物質，其存在不影響流場特性的改變。河口污染問題入海河口地區(qū)人口稠密、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)比較發(fā)達，排放污染物也較集中。并且容易發(fā)生海水倒灌、河水漫灘。入海河口是河流與海洋的過渡段，是河流與海洋兩種動力相互作用相互消長的區(qū)域。復雜的動力因素使河口的污染物遷移擴散較為復雜，具有明顯的獨特性。湖泊富營養(yǎng)化問題突出湖泊與河流水文條件不同，湖水流動緩慢、蒸發(fā)量大、有相對穩(wěn)定的水體。湖泊污染來源廣、途徑多、種類多湖水稀釋和輸運污染物能力弱湖泊對污染物的生物降解、積累和轉化能力強。有些生物對污染物進行分解，從而有利于湖水凈化。而有些生物把毒性不強的無機物轉化成毒性很強的有機物，并在食物鏈中傳遞濃縮，使污染危害加重。地下水污染問題廠地下水污染氐因工業(yè)廢水和生活污水通過各種途徑排入地下*工業(yè)廢渣及城市垃圾經(jīng)雨水淋濾滲入地下；不合理的污水灌溉及化肥、農(nóng)藥的長期使用等。尸地下水污染特點污染過程緩慢：間接污染：水文地質條件影響大°熱污染問題熱污染是一種能量污染。熱電廠、核電站及冶煉等使用的冷卻水是產(chǎn)生熱污染的主要來源。水溫升高，會降低水中的溶解氧的含量，并且加速有機污染物的分解，增大耗氧作用，并使水體中某些毒物的毒性提高。水溫升高還破壞生態(tài)平衡的溫度環(huán)境條件。污染趨勢由支流向主干延伸由城市向農(nóng)村蔓延由地表水向地下水滲透由陸域向海域發(fā)展水體污染的定義進入水體的污染物的數(shù)量或濃度超過了水體的自凈能力，使水和水體的物理、化學性質或生物群落組成發(fā)生改變，正常的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)功能遭到破壞，從而降低了水體原有的使用價值，造成環(huán)境質量、資源質量和人群健康等方面的損失和威脅。水體污染的機理? （1）物理作用：水體中的污染物在水力和自身力量的作用下擴大在水中所占的空間，隨著分布范圍擴大，污染物在水中的濃度降低。?例如稀釋、擴散、遷移、沉降、揮發(fā)和懸浮等? （2）化學與物理化學作用：污染物質在隨水流運動的過程中多以離子和分子狀態(tài)存在，并發(fā)生一系列化學反應，改變污染物質的存在形態(tài)， 污染物質發(fā)生遷移轉化。? （3）生物與生物化學作用：污染物質在水中受到生物的生理、生化作用，通過食物鏈傳遞發(fā)生分解、轉化和富集，使水質凈化或水質惡化。水體污染的特點?溶解氧下降?水生生態(tài)系統(tǒng)改變?毒性增強水體污染的危害?影響水生生物和人體健康?影響漁業(yè)和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?損壞旅游資源?加劇水資源短缺，并引發(fā)其他社會問題研究內容傳統(tǒng)水力學主要是研究水流自身運動規(guī)律環(huán)境水力學則主要是研究水體中所含物質的運動規(guī)律，是傳統(tǒng)水力學的一種發(fā)展，又屬于流體力學的范疇內容涉及水力學、環(huán)境學、水化學、水生物學等，是一門綜合性很強的交叉學科水力學研究潔凈水流的運動，環(huán)境水力學研究污染物質在水體中的擴散輸移規(guī)律。廣義的環(huán)境水力學研究一切和水體有關的水力學問題，包括水污染、水生態(tài)、水土保持、河道變形以及水利工程對環(huán)境的影響等等。污染物質進入水體后，發(fā)生溶解、擴散或由于水流運動發(fā)生隨流輸移，而擴展其影響范圍，無論對于哪一類環(huán)境問題，了解污染物質的擴散、輸移規(guī)律是研究水環(huán)境問題的基礎。狹義的環(huán)境水力學主要研究當污染物投放于納污水域中，由于擴散、輸移所造成的污染物濃度隨空間和時間的變化規(guī)律，為水質規(guī)劃、環(huán)境管理和水資源開發(fā)利用提供科學依據(jù)。環(huán)境水力學：研究水中所含物質的運動傳統(tǒng)水力學：研究水流自身的運動示蹤物質是指在水體內擴散和輸移時不發(fā)生化學和生化反應的物質， 并且它的存在不影響流動特性。研究示蹤物質的擴散輸移規(guī)律，是研究污染物擴散輸移問題的一種簡化模型。本課程的研究對象：示蹤物質在水體中的擴散輸移規(guī)律，這是研究水環(huán)境問題的基礎。研究方法?理論分析方法理論分析方法揭示了流體和污染物運動的物理本質和各物理量之間的內在聯(lián)系，具有重要的指導意義和普遍適用性，但對于復雜流動問題，難以直接求得解析解，因此要借助其他研究方法。?實驗模擬方法現(xiàn)場模擬和實驗室模擬，是獲得感性認識的基本途徑，是發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、檢驗理論和科技成果的實踐基礎，缺點是成本高、量測方法受限，模型實驗結果缺乏通用性。?數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬方法通用性好，但是必須以理論分析方法獲得的數(shù)學模型為基礎，其結果需要實驗和實踐的檢驗。根據(jù)流體力學和污染物遷移轉化規(guī)律，建立數(shù)學模型，在一定的邊界條件下和初始條件下，對水流運動和污染物變化進行數(shù)值分析。三種研究方法相輔相成，互為補充方法的比較方法綏A理世分析對擴散機理解祈表達，因果關系畫基本假般局叭少數(shù)墻況下才有解析結果.實參研究直接測董擴敵券嚴本高?對量測技愛工也存在比尺護九理論呆解范國，成木低，易于敢變工況，不曼比尺恨.憑理論撲型和戰(zhàn)值濮型局幅.存在計算課差*物質在水體內遷移的主要方式1分子擴散分子擴散指分子隨機運動（布朗運動）引起物質遷移。分子擴散的速度與物質的性質、物質的濃度梯度以及溫度或壓力等外界因素有關。在大尺度的環(huán)境中（實際流動中，地下水流動除外） ，與其他原因相比，分子擴散所引起的物質遷移通常忽略不計。分子擴散的費克定律，分子擴散方程兩種不同物質通過它們的分子運動而互相滲透的現(xiàn)象稱為分子擴散。物質的分子擴散可以借助四種推動力發(fā)生：濃度梯度、溫度梯度、壓力梯度或其他作用力梯度。由這些不同原因而引起的擴散分別稱為：濃度擴散、溫度擴散、壓力擴散和強制擴散。實際問題中，污染物擴散過程中分子擴散所占的比重通常很小，就分子擴散本身而言，除了微觀的化學與生物反應外，在環(huán)境問題中并沒有直接的重要意義。但是在許多情況下，環(huán)境中的污染物擴散與分子擴散有類似之處，其研究可借用分子擴散的基本思想2隨流輸移當流體在流動狀態(tài)下，污染物可隨流體質點的運動一起移至新的位置。移流擴散方程如果環(huán)境流體是流動的，示蹤質除因分子擴散而發(fā)生遷移外，還會隨流體質點一起流動而產(chǎn)生遷移，這種隨流遷移現(xiàn)象稱為移流輸送（或隨流傳輸） 。因此在流動的流體中，示蹤質濃度的變化要把分子擴散和隨流傳輸兩部分都考慮在內。3紊動擴散流體作紊流流動時，隨機的紊動所引起的污染物質的擴散，其強弱與水流的漩渦運動有關。4剪切流離散在考慮流體中污染物遷移時，如果將隨流輸移按平均流速的均勻流計算，由于實際上剪切流中各點流速與平均流速不同，將會引起附加的物質分散，稱為離散。剪切流指垂直于流動方向的過流斷面上存在速度梯度的流動什么叫剪切流？過流斷面上具有速度梯度的流動稱為剪切流動。層流為典型的剪切流動。除各項均勻同性紊流外，通常紊流亦屬剪切流，過流斷面上時均流速具有梯度。因此，實際中的管流和明渠流均為剪切流。什么叫剪切流的離散？在研究管流和明渠流的混合與擴散問題時，通常簡化成一維流動處理，而計算擴散時所用到的流速為斷面平均值。由于斷面平均速度與各點真實流速的差異，造成了真實擴散量與按平均速度計算的擴散量不相等，這個不相等的偏差就是所謂的剪切流離散。5對流擴散由于溫度差或密度分層不穩(wěn)定性所引起的鉛垂方向對流運動所伴隨的污染物遷移稱為對流擴散污染源按時間分布：瞬時源、時間連續(xù)源；按空間形式：點源、線源、面源和體源；按擴散方向：一維擴散源、二維擴散源和三維擴散源。有機物、無機物、重金屬、放射性物質、細菌、熱污染

歐拉連續(xù)介質假設（1755年）：把流體當作是由密集質點構成的、內部無間隙的連續(xù)體。引入流體質點作為流體力學研究的基本單元， 流體質點是一個宏觀小，微觀大”的流體單元。表征流體性質、描述流體運動的各個物理量如速度 、壓強、密度等在流動空間的每一點，都具有確定的有限數(shù)值，而且是空間坐標和時間坐標的連續(xù)函數(shù)。這樣就能用數(shù)學分析方法來研究流體運動。連續(xù)介質是從宏觀運動的觀點出發(fā)而提出的理論模型，在此基礎上建立起來的流體力學是一種宏觀科學。一方面，在流體力學中不考慮流體內部的微觀結構和微觀運動；另一方面，對流體的微觀運動，有關連續(xù)介質的概念和定律都不使用。海姆霍茲速度分解定理的意義將微團運動分解為平移、旋轉和變形（應變率） ，為建立應應變率關系式奠定了基礎，進而可導出液體運動的微分方程。運動流體的應力?靜止流體（無論黏性流體還是無黏性流體）中，不存在切應力，只有法向應力（靜壓強），且任一點靜壓強的大小與作用面方位無關。?無黏性流體運動時不出現(xiàn)剪應力，只有法向力（即壓強） ，其大小與作用面方位無關。?黏性流體的應力狀態(tài)和無黏性流體不同，由于黏性作用，運動時出現(xiàn)剪應力，任一點應力的大小，與作用面方位有關1845年1845年提出三項假設（斯托克斯假定）（1） 流體是連續(xù)的，且應力分量是應變率分量的線性函數(shù)；（2） 流體是各向同性的，其性質與方向無關，因此流體變形律的表達式與坐標系的選擇無關；（3）當應變率為零（即流體靜止時），變形律必須退化為流體靜力條件。以上稱為斯托克斯假定（1845年），是討論牛頓流體應力與應變率的關系 （即本構方程）的基礎。環(huán)境流體力學的遷移擴散理論中有以下假定流體中含有的污染物是示蹤質，在擴散和輸移過程中不發(fā)生化學或生化反應，且其存在不改變流體質點的流動特性，即不影響流動。整個運動過程中，流體質點帶有的示蹤質在數(shù)量上是保持不變的，流體質點與質點之間不發(fā)生示蹤質的轉移，示蹤質的擴散完全是由于帶有示蹤質的流體發(fā)生摻混的結果因此對于不可壓縮流體，帶示蹤質的流體質點的總體積在擴散過程中保持不變，其占據(jù)的空間范圍即其輪廓的形態(tài)則是隨時間變化的。注：由于擴散質的存在而對流動產(chǎn)生影響的情況在實際中是存在的，如熱污染的散布、海水和淡水的摻混等問題需要考慮流體密度變化的影響，更復雜的還牽涉到生化作用所產(chǎn)生物質的發(fā)生與衰減?；痉匠探M的求解方法概述基本方程組由物質擴散方程和流體運動的基本方程組 （連續(xù)方程和運動方程）組成。嚴格來說，物質擴散方程應和流體運動的基本方程組（連續(xù)方程和運動方程）耦合求解包含濃度的所有基本量。在示蹤質假定下，因為示蹤質的存在不影響流場特性，因此可以將流場和濃度場分開求解，先由流動基本方程組（連續(xù)方程和運動方程）求出流場，然后在已知流速分布的條件下求解擴散方程。本暫不討論流動基本方程組（連續(xù)方程和運動方程）的求解問題，僅討論在已知流速分布的條件下擴散方程的求解。擴散方程的求解途徑在靜止和均勻流動中的擴散對于靜止或均勻流動中的擴散問題，在一些簡單情況下，可以求得解析解。剪切流中的一維縱向離散將三維的擴散方程通過積分簡化成一維，采用過流斷面上的平均流速和平均濃度來計算，求得的解是斷面平均濃度沿縱向的分布，這方面工作已有較多研究成果，是目前解決實際問題的重要途徑。剪切流中的二維離散將三維的擴散方程通過積分簡化成二維，采用垂線上的平均流速和平均濃度來計算，求得的解釋垂線平均濃度在平面上的分布。對于河流、湖泊、水庫中的污染物擴散，由于受岸邊建筑物和地形的影響，一維簡化不能滿足計算要求，需按二維離散分析。數(shù)值解法二維以上的計算通常都采用數(shù)值解法，針對通用微分方程編制計算程序進行求解，常用有限差分法和有限元法。物理模型復雜邊界條件下的擴散問題常采用縮尺物理模型進行研究，通過實驗量測流速和污染物濃度分布情況?，F(xiàn)場觀測在天然流場中進行污染物濃度觀測，得到的資料最真實可靠。但是受條件限制，一般難以獲得全面系統(tǒng)的資料。比較常用的方法是利用現(xiàn)場觀測得到的資料來確定擴散方程中的經(jīng)驗系數(shù)，然后利用數(shù)學方法對擴散方程進行求解。4-1河流中的基本水質問題（1）污染物與河水的混合：污水排入河流之后，從污水排放口到污染物在河流橫斷面上達到均勻分布，通常要經(jīng)歷豎向混合與橫向混合兩個階段。由于河流的深度通常要比其寬度小很多，污染物進入河流后，在比較短的距離內就達到了豎向的均勻分布，亦即完成 豎向混合過程。完成豎向混合所需距離大約是水深的數(shù)倍至數(shù)十倍（粗略估計）。在豎向混合階段，河流中發(fā)生的物理作用十分復雜，它涉及到污水與河水之間的質量交換、熱量交換與動量交換等問題。在豎向混合階段（同時）也在發(fā)生橫向的混合作用。?從污染物達到豎向均勻分布到污染物在整個斷面上達到均勻分布的過程稱為 橫向混合階段（粗略估計）。?在直線均勻河道中，橫向混合的主要水動力是 橫向彌散作用：在彎道中，由于水流形成的橫向環(huán)流，大大加速了橫向混合的進程。完成橫向混合所需的距離要比豎向混合大得多。初始稀釋階段是一種三維混合過程，其混合情況與污水排出時的初始動量、浮力以及排污口的位置和型式等因素密切相關。射流與噴流污水排出的速度大于河流速度，則低流速的河水會被卷吸到高流速的污水中，從而加強污水的初始稀釋，稱為射流。如果污水排出的流速較小，沒有這種卷吸作用，稱為噴流浮力射流與純射流如果污水的密度比河水小，污水受浮力作用而上升，稱為浮力射流；若污水的密度比河水大，污水受負浮力作用而下沉，稱為負浮力射流。如果污水密度與河水密度相差不大，可以不考慮浮力的影響，則稱為純射流。表面排放與淹沒排放實際排污工程中污水浮射流較為常見，在初始稀釋過程中，射流的動量和浮力的作用將逐漸減弱，在達到垂向均勻混合之后，在以后的混合過程中就可以不考慮動量和浮力的作用。

總結:第一階段（初始稀釋階段）發(fā)生在排污口附近水域，稱為近區(qū)。近區(qū)問題的處理比較復雜，需要把排污口形式與布置、污水出流性質以及接受水域的特性結合起來考慮，一般要按三維問題處理。第二階段（污染帶擴展階段）和第三階段（向下游擴散階段）發(fā)生在離排污口較遠的區(qū)域，稱為遠區(qū)。第二階段一般按二維擴散問題處理，第三階段按一維縱向分散問題處理。三、污染帶的寬度污染帶寬度的定義從理論上講，根據(jù)濃度分布函數(shù)，橫向擴散的范圍可延伸至無窮遠，不存在所謂寬度的概念。但從實際的角度來說，橫向擴散到一定距離后，其濃度與斷面最大濃度相比小到可以忽略不計，或者說對實際所研究的問題不發(fā)生較大的偏差時，就可以近似認為橫向擴散范圍到此為止一般情況下，當邊遠點的濃度為該斷面最大濃度 的5%時，該點即被認為污染帶的邊界點。定義污染帶邊緣濃度是該斷面最大濃度的 5%時所占有的寬度稱為污染帶寬度。C（x,b）=0.05Cmax1?不規(guī)則河道所謂不規(guī)則河道，主要指河道斷面形狀沿縱向變化大，河道具有較大的彎曲。2?不規(guī)則河道的水流特點水流非均勻性顯著，典型的水流現(xiàn)象：彎道二次流現(xiàn)象什么叫射流？射流指流體從各種排泄口（孔口或噴嘴）噴出，流入周圍的另一種和同一種流體的流動。射流的特點有壓管道流動邊界全部是固體，明渠流動除自由水面外，其他大部分周界也是固體。大多數(shù)類型的射流（除附壁射流以外）的全部周界都是流體，使得射流具有不受固體邊界約束的很大的自由度。環(huán)境工程中排污、排熱、排氣的排放口近區(qū)流動屬于射流射流的分類（1） 按流動形態(tài)分層流射流和紊動射流工程中的射流問題絕大多數(shù)都是紊動射流問題（2） 按射流周圍的環(huán)境條件分類從環(huán)境固體邊界的情況分自由射流：射流射入無限空間時，稱為自由射流非自由射流：射流射入有限空間時，稱為非自由射流或有限空間射流。若射流的部分邊界貼附在固體邊界上，稱為附壁射流。若射流沿下游水體的自由表面射出，稱為表面射流。從周圍流體的性質分淹沒射流：射入同種性質流體之內的稱為淹沒射流。非淹沒射流：射入不同性質流體之內的為非淹沒射流（如大氣中的水射流 ）（3） 按射流的原動力分射流進入環(huán)境水體后將繼續(xù)運動與擴散，按照驅使其進一步運動和擴散的動力劃分：動量射流：射流的出流速度較高，依靠岀射的初始動量維持自身在環(huán)境水體中繼續(xù)運動，初始動量對流動起支配作用，稱為動量射流，也叫純射流，或簡稱射流。浮力羽流：射流初始岀射動量很小，進入環(huán)境水體后依靠浮力作用促使其進一步運動和擴散，浮力對流動起支配作用，稱為浮力羽流，簡稱羽流。浮射流：兼受動量和浮力兩種作用而運動的射流。 如污水排入密度較大的河口或港灣海水中形成的污水射流、火電站和核電站的冷卻水排入河流和湖池中形成的熱水射流。紊流概述流動存在層流和紊流兩種形態(tài)（雷諾， 1895）,層流中各層流體互不摻混，質點做規(guī)則的沿光滑路線的運動；紊流中各層流體互相摻混，質點運動很不規(guī)則。紊流運動非常復雜，但自然界和工程中的流動大多數(shù)是紊流，污染物的擴散遷移也與紊動密切相關，因此有必要對其有所了解。紊流的發(fā)生過程可以用流動穩(wěn)定性理論加以解釋：紊流的主要特征：不規(guī)則性、擴散性、三維有渦性、耗散性因此紊流是由各種不同尺度的大小渦旋組合而成的復雜