環(huán)境流體力學(xué)

1、1150469石坤石坤Importance of Dispersion in Network Water Quality Modeling2出版物名稱(chēng)：出版物名稱(chēng)：Impacts of Global Climate Change頁(yè)碼：頁(yè)碼：112作者：作者： Tzatchkov, Velitchko; Buchberger, Steven G; Li, Zhiwei語(yǔ)言：語(yǔ)言：English時(shí)間：時(shí)間：20053一、研究背景一、研究背景水傳輸過(guò)程中由于物理、化學(xué)、生物過(guò)程水質(zhì)會(huì)惡化。常常用水傳輸過(guò)程中由于物理、化學(xué)、生物過(guò)程水質(zhì)會(huì)惡化。常常用一位平流反應(yīng)模型來(lái)模擬水質(zhì)惡化，這種模型首飾盒易湍流

2、流一位平流反應(yīng)模型來(lái)模擬水質(zhì)惡化，這種模型首飾盒易湍流流動(dòng)為主的管道。動(dòng)為主的管道。然而，在低流量區(qū)域，由于較長(zhǎng)流動(dòng)時(shí)間、間歇流動(dòng)條件以及然而，在低流量區(qū)域，由于較長(zhǎng)流動(dòng)時(shí)間、間歇流動(dòng)條件以及較低的消毒劑殘留，純粹平流和反應(yīng)模型不適用。較低的消毒劑殘留，純粹平流和反應(yīng)模型不適用。關(guān)于在單一管道穩(wěn)定流動(dòng)條件下水體運(yùn)輸?shù)姆治鲅芯勘砻?，擴(kuò)散關(guān)于在單一管道穩(wěn)定流動(dòng)條件下水體運(yùn)輸?shù)姆治鲅芯勘砻鳎瑪U(kuò)散作用在層流區(qū)域是一個(gè)重要的因素。作用在層流區(qū)域是一個(gè)重要的因素。Lee通過(guò)解析方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)因次群通過(guò)解析方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)因次群 時(shí)，在穩(wěn)定和時(shí)，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定層流流動(dòng)中擴(kuò)散作用都重要。（不穩(wěn)定層流流動(dòng)中擴(kuò)散作

3、用都重要。（K是一階衰減系數(shù)，是一階衰減系數(shù)，E是縱是縱向彌散系數(shù)，向彌散系數(shù)，U是平均流速）是平均流速）4二、方法二、方法 一維平流反應(yīng)模型一維平流反應(yīng)模型: 其中，其中，C（x，t）為在距離）為在距離x時(shí)間時(shí)間t的橫截面的平均濃度。的橫截面的平均濃度。 確認(rèn)擴(kuò)散過(guò)程后，應(yīng)用一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模型建模：確認(rèn)擴(kuò)散過(guò)程后，應(yīng)用一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模型建模： 式中式中E是擴(kuò)散系數(shù)，由于初始階段的不穩(wěn)定流動(dòng)或逐漸加強(qiáng)是擴(kuò)散系數(shù)，由于初始階段的不穩(wěn)定流動(dòng)或逐漸加強(qiáng)的擴(kuò)散作用，的擴(kuò)散作用，E是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。為了避免對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的估是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。為了避免對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的估計(jì)所造成的錯(cuò)誤，采用在層流流動(dòng)中柱坐標(biāo)內(nèi)

4、的二維平流擴(kuò)計(jì)所造成的錯(cuò)誤，采用在層流流動(dòng)中柱坐標(biāo)內(nèi)的二維平流擴(kuò)散反應(yīng)來(lái)替代一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模擬溶質(zhì)傳輸：散反應(yīng)來(lái)替代一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模擬溶質(zhì)傳輸：在此，在此，D是溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，是溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，a是管半徑，是管半徑，r是管中心的徑向位置是管中心的徑向位置5三、案例研究的建立三、案例研究的建立配水系統(tǒng)中的水質(zhì)受到物理化學(xué)過(guò)程影響。物理過(guò)程可能配水系統(tǒng)中的水質(zhì)受到物理化學(xué)過(guò)程影響。物理過(guò)程可能受到像溶質(zhì)源剖面、管徑和管流類(lèi)型等因素的影響。化學(xué)受到像溶質(zhì)源剖面、管徑和管流類(lèi)型等因素的影響。化學(xué)過(guò)程可能由像溶質(zhì)濃度和反應(yīng)速率系數(shù)這些因素所決定。過(guò)程可能由像溶質(zhì)濃度和反應(yīng)速率系數(shù)這些因素所決定。設(shè)計(jì)案例

5、研究來(lái)驗(yàn)證在管道溶質(zhì)團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程中這些因素的設(shè)計(jì)案例研究來(lái)驗(yàn)證在管道溶質(zhì)團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程中這些因素的影響。影響。研究因素：溶質(zhì)源剖面、溶質(zhì)衰減系數(shù)、管道尺寸、管流研究因素：溶質(zhì)源剖面、溶質(zhì)衰減系數(shù)、管道尺寸、管流類(lèi)型類(lèi)型6四種類(lèi)型的溶質(zhì)源剖面類(lèi)型四種類(lèi)型的溶質(zhì)源剖面類(lèi)型1、溶質(zhì)源剖面類(lèi)型溶質(zhì)源剖面類(lèi)型7輸入類(lèi)型輸入類(lèi)型方程方程條件條件I I分步分步式式C(0,t) = 10 mg/LC(0,t) = 10 mg/LIIII線(xiàn)性線(xiàn)性式式C(0,t) = c1 + c2C(0,t) = c1 + c2* *t t c1=1mg/L,c2=3.35c1=1mg/L,c2=3.356 610-4 mg/L s

6、 sIIIIII瞬瞬時(shí)式時(shí)式C(0,0) = 10 mg/LC(0,0) = 10 mg/L輸入時(shí)間輸入時(shí)間t0=10sIV-IV-正弦正弦式式C(0,t)= c 3 + c 4 C(0,t)= c 3 + c 4 sin(2sin(2t/T p)c3 =10mg/L, c3 =10mg/L, c4=5mg/L,Tp=2160c4=5mg/L,Tp=21600 s0 s8結(jié)果結(jié)果分步式注入線(xiàn)性增長(zhǎng)注入瞬時(shí)注入正弦注入9(1)對(duì)于分步式注入對(duì)于分步式注入C（0，t）=10mg/l,當(dāng)當(dāng)xUt時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化C（x，t）=10mg/l，有，有 ，二階導(dǎo)數(shù)為零，擴(kuò)散作用，

7、二階導(dǎo)數(shù)為零，擴(kuò)散作用可以忽略?？梢院雎浴?2)對(duì)于線(xiàn)性增加注入對(duì)于線(xiàn)性增加注入c（0,t）=c1+c2t，當(dāng)，當(dāng)xUt 時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化為變化為C（x，t）=c1+c2(t-x/u)，有，有 ，二階導(dǎo)數(shù)為零，二階導(dǎo)數(shù)為零，擴(kuò)散作用可以忽略。擴(kuò)散作用可以忽略。(3)對(duì)于瞬時(shí)注入對(duì)于瞬時(shí)注入C（0，0）=10mg/l，當(dāng)，當(dāng)x=Ut時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布為時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布為C（x，t）=10mg/l， 和和 不存在不連續(xù)的濃度和距離函數(shù)，不存在不連續(xù)的濃度和距離函數(shù)，擴(kuò)散作用擴(kuò)散作用 決定溶質(zhì)傳輸決定溶質(zhì)傳輸。 (4)對(duì)于正弦注入對(duì)于正弦注入c（0,t）=c3+c4sin2

8、（t-x/u）/Tp, 當(dāng)當(dāng)xUt時(shí)溶質(zhì)時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化為濃度空間分布變化為c（x,t）=c3+c4sin2（t-x/u）/Tp，有：，有：擴(kuò)散作用決定溶質(zhì)傳輸擴(kuò)散作用決定溶質(zhì)傳輸102 2、管道尺寸對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響、管道尺寸對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響（a）T的變化（b）（t）的變化（c）E(t)的變化（d）溶質(zhì)團(tuán)在12小時(shí)內(nèi)的擴(kuò)散管道尺寸對(duì)于時(shí)間平均擴(kuò)散計(jì)算的影響管道尺寸對(duì)于時(shí)間平均擴(kuò)散計(jì)算的影響11圖圖5a和和5b表明管徑對(duì)于無(wú)因次時(shí)間表明管徑對(duì)于無(wú)因次時(shí)間T的影響及其函數(shù)。在時(shí)間的影響及其函數(shù)。在時(shí)間T隨著管徑的增加隨著管徑的增加T和和（t）迅速降低。然而，泰勒分散系數(shù)和）迅速降低。然而

9、，泰勒分散系數(shù)和半徑平方成正比。圖半徑平方成正比。圖5c展示了管徑時(shí)間平均擴(kuò)散的影響。在相展示了管徑時(shí)間平均擴(kuò)散的影響。在相同時(shí)間下對(duì)于相同的層流流動(dòng)，比起相對(duì)較小的管道尺寸，更同時(shí)間下對(duì)于相同的層流流動(dòng)，比起相對(duì)較小的管道尺寸，更大的管道尺寸有時(shí)間平均擴(kuò)散。大的管道尺寸有時(shí)間平均擴(kuò)散。 因此，溶質(zhì)團(tuán)在大管道比在小管道擴(kuò)散得好。圖因此，溶質(zhì)團(tuán)在大管道比在小管道擴(kuò)散得好。圖5d表明了基于表明了基于相同初始濃度下相同初始濃度下2D-ADR模型模型12小時(shí)后的數(shù)值模擬，管道尺寸對(duì)小時(shí)后的數(shù)值模擬，管道尺寸對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響。表于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響。表2列舉了列舉了12小時(shí)后關(guān)于擴(kuò)散計(jì)算因素的小時(shí)后關(guān)于擴(kuò)

10、散計(jì)算因素的對(duì)比。很明顯，對(duì)于固定溶質(zhì)停留時(shí)間的層流流動(dòng)，時(shí)間平均對(duì)比。很明顯，對(duì)于固定溶質(zhì)停留時(shí)間的層流流動(dòng)，時(shí)間平均擴(kuò)散系數(shù)隨著管徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。擴(kuò)散系數(shù)隨著管徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。123 3、衰減常數(shù)對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)散影響、衰減常數(shù)對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)散影響（a）k=6.0 x10-6s-1 （b） k=6.0 x10-5s-1圖圖6a（k=6.0 x10-6s-1）和）和6b（k=6.0 x10-5s-1）表明了連續(xù)溶質(zhì)源在）表明了連續(xù)溶質(zhì)源在2cm管徑層流流動(dòng)下衰減系數(shù)對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響?？梢钥闯?，管徑層流流動(dòng)下衰減系數(shù)對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響?？梢钥闯?，1D-AR模型結(jié)果和模型結(jié)果和2D-ARD 模型結(jié)果之間的總

11、體差異隨著衰減系數(shù)的增加模型結(jié)果之間的總體差異隨著衰減系數(shù)的增加而減少。這些結(jié)果表明擴(kuò)散作用對(duì)于溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊戨S著衰減系數(shù)而減少。這些結(jié)果表明擴(kuò)散作用對(duì)于溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊戨S著衰減系數(shù)的增加而減少的增加而減少。134 4、不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)于溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊?、不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)于溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊懀╝）穩(wěn)定流動(dòng)）穩(wěn)定流動(dòng)（b）由）由20個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng)個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) t=60sec，U=1cm/s（c）由）由10個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng)個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) t=60sec，U=1cm/s （d）由）由10個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng)個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) t=300sec，U=1cm/s14（a

12、）如上圖c的隨機(jī)流動(dòng) （b）如上圖d的隨機(jī)流動(dòng)（c）如上圖b的隨機(jī)流動(dòng)（d）2D-ADR結(jié)果得對(duì)比比較了在四種流動(dòng)條件下2D-ADR模型結(jié)果的空間分布的差異。我們可以發(fā)現(xiàn)流動(dòng)模式對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的影響。15總結(jié)總結(jié)1、在層流區(qū)當(dāng)氯濃度輸入劇烈變化時(shí)，擴(kuò)散作用對(duì)于水質(zhì)很重要。、在層流區(qū)當(dāng)氯濃度輸入劇烈變化時(shí)，擴(kuò)散作用對(duì)于水質(zhì)很重要。在測(cè)試條件下對(duì)于四種烈性的輸入源，擴(kuò)散作用對(duì)于瞬時(shí)輸入和正在測(cè)試條件下對(duì)于四種烈性的輸入源，擴(kuò)散作用對(duì)于瞬時(shí)輸入和正弦輸入是重要的，對(duì)于線(xiàn)性輸入和分步輸入時(shí)不重要的。弦輸入是重要的，對(duì)于線(xiàn)性輸入和分步輸入時(shí)不重要的。2、對(duì)于層流區(qū)，擴(kuò)散作用在水質(zhì)建模中的重要性隨著管道直徑的增、對(duì)于層流區(qū)，擴(kuò)散作用在水質(zhì)建模中的重要性隨著管道直徑的增加而增加。加而增加。3、對(duì)于恒定污染物正弦輸入，擴(kuò)散作用在水質(zhì)建模中有重要作用。、對(duì)于恒定污染物正弦輸入