河道的彎曲度對(duì)不可分解污染物在彎曲河道中的分布的影響

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摘要

在本課題的研究中，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)及污染物傳輸耦合的數(shù)值計(jì)算的數(shù)值模型，通過建立基于二維和三維不可壓縮流體Navier-Stokes方程和湍流k-ε模型的重力流及污染物數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型[1]來模擬河道的彎曲度對(duì)不可分解污染物在彎曲河道中的分布的影響，這對(duì)處理河道中的突發(fā)性污染事件的科學(xué)決策有一定的參考作用。由二維和三維的模擬結(jié)果可知，河道彎曲度對(duì)污染物在河道內(nèi)的分布主要取決于流速和重力作用的影響。流速的改變主要出現(xiàn)在河道的彎曲處，這時(shí)會(huì)在彎道處出現(xiàn)回流區(qū)和死水區(qū)，它會(huì)阻礙密度較大的污染物的流動(dòng)，使得這一側(cè)污染物濃度較大。而在污染物隨著水流往下游流動(dòng)的過程中，重力作用也會(huì)顯現(xiàn)出來。由于污染物的密度比水要大，這使得污染物在流動(dòng)的過程中往河底沉降下來，繼而在河道底部形成以河道中心線為對(duì)稱軸的坍塌回聚式震蕩的擴(kuò)散過程。

關(guān)鍵字:河流污染物環(huán)境污染數(shù)值模擬

Abstract

Inthisissueofthestudy,theapplicationofhydrodynamicsandcontaminanttransportnumericalcouplednumericalmodel,Throughtheestablishmentoftwo-dimensionalandthree-dimensionalincompressibleNavier-Stokesequationsandfluidturbulencek-εmodelofgravityflowandpollutantnumericalcalculationofthemathematicalmodel[1]tosimulatethedistributioneffectionofcurvatureofrivertoindecomposablepollutionintheriverbend,whichhavesomereferencetodealwiththesuddenriverpollutionincidentsinthescientificdecision-making.Bytheresultsoftwo-dimensionalandthree-dimensionalsimulation,weknowtherivercurvaturetothedistributionofpollutantsintheriverchannelsdependsonthevelocityandgravity.Velocitychangewasseenintheriverbend,thenthebackriverareaanddeadzoneareawillappearinthecorners,itwillimpedetheflowofpollutantsinhighdensity,makingthissidewithlargeconcentrationofpollutants.Asthepollutantsflowdownstreamwiththewater,theinfluentofgravitywillappear.Asthecontaminantsdensityislargerthanwater,whichmakesthepollutantsintheflowsettledowntotheriverbottom,andthenintheriverbottomtoformachannelforthesymmetryaxisofthecollapseofthecenterlineofpoly-typeshockreturntothediffusionprocess.

Keywords：Rivers，Pollutants，EnvironmentPollution，Numericalmodel，F(xiàn)luent，Gambit

目錄

TOC\o\h\z\u

目錄

2

1．引言

4

1.1課題研究背景

4

1.2國(guó)內(nèi)外水污染狀況

4

1.3國(guó)內(nèi)外水質(zhì)模型研究現(xiàn)狀

6

1.4彎曲河道污染物分布數(shù)值模擬的任務(wù)和內(nèi)容

7

1.5彎曲河道污染物數(shù)分布值模擬的意義

8

2．?dāng)?shù)值計(jì)算模型

8

2.1水質(zhì)模型的介紹

8

2.2.數(shù)學(xué)模型發(fā)展歷史

8

2.3三維模擬污染物擴(kuò)散控制方程

9

2.4模擬邊界條件

12

2.5數(shù)值計(jì)算方法

13

2.6模擬預(yù)期結(jié)果

14

3河道各段數(shù)據(jù)計(jì)算

14

3.1河道各段數(shù)據(jù)和計(jì)算公式

14

3.2河道彎曲度為10度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

15

3.3河道彎曲度為35度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

15

3.4河道彎曲度為70度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

15

4基于Gambit和Fluent技術(shù)下二維河道的模擬

16

4.1Gambit軟件和Fluent軟件的介紹及其特點(diǎn)

16

4.2不同彎曲度河流的二維溫度模擬

18

4.2.1河道彎曲度為10度

18

4.2.2河道彎曲度為35度

20

4.2.3河道彎曲度為70度

21

4.2.4二維溫度模擬結(jié)果分析

22

4.3不同彎曲度河流的二維速度和密度模擬

22

4.3.1河道彎曲度為10度

22

4.3.2河道彎曲度為35度

24

4.3.3河道彎曲度為70度

26

4.3.4二維密度模擬結(jié)果分析

28

5基于Gambit和Fluent技術(shù)下三維維河道的模擬

29

5.110度彎曲河流的三維污染物模擬

29

5.235度彎曲河流的三維污染物模擬

33

5.370度彎曲河流的三維污染物模擬

39

6污染物模擬結(jié)果分析比較

44

6.1污染物模擬結(jié)果總結(jié)

44

6.2不同河道彎曲度模擬結(jié)果分析比較

44

7結(jié)論

45

參考文獻(xiàn)

46

致謝

46

附錄

46

1．引言

1.1課題研究背景

20世紀(jì)是世界科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平高速發(fā)展的黃金時(shí)期，伴隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高和世界人口的急劇膨脹，人類對(duì)環(huán)境資源的需求量也在不斷增加，同時(shí)對(duì)環(huán)境的破壞也越來越嚴(yán)重。人類賴以生存的水資源隨著水污染的日益加劇也越來越緊張。水資源的匱乏也將制約著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)之后，環(huán)境問題也越來越突出，人類的生存環(huán)境受到了更多的考驗(yàn)和更大的挑戰(zhàn)，這使得環(huán)境保護(hù)這一重大課題將在未來成為世界各國(guó)發(fā)展工作中的重中之重。水作為人類的生命源泉，在社會(huì)文明的進(jìn)步和工業(yè)的高速發(fā)展的過程中，水污染問題日趨嚴(yán)重，逐漸成為世界性的頭號(hào)環(huán)境治理難題。

1.2國(guó)內(nèi)外水污染狀況

早在18世紀(jì)，英國(guó)由于只注重工業(yè)發(fā)展，而忽視了

水資源

保護(hù)，大量的工業(yè)廢水廢渣傾入江河，造成

泰晤士河

污染，基本喪失了利用價(jià)值，從而制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也影響到人們的健康、生存。之后經(jīng)過百余年治理，投資5億多英鎊，直到20世紀(jì)70年代，泰晤士河水質(zhì)才得到改善。

19世紀(jì)初，德國(guó)

萊茵河

也發(fā)生嚴(yán)重污染，德國(guó)政府為此運(yùn)用嚴(yán)格的法律和投入大量資金致力于水資源保護(hù)，經(jīng)過數(shù)十年不懈努力，在萊茵河流經(jīng)的國(guó)家及

歐盟

共同合作治理下，才使萊茵河碧水暢流，達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

近些年，水質(zhì)惡化也困擾著美國(guó)人。一直以來，紐約市民以自來水質(zhì)純美而自豪，其他州的面包商甚至特地使用紐約市自來水以生產(chǎn)貨真價(jià)實(shí)的紐約圈餅。7年前寄生蟲侵入密爾沃基供水系統(tǒng)，造成100人死亡，40萬(wàn)人致病后，水質(zhì)問題備受關(guān)注，如今紐約市民每天生活在飲水不凈的威脅下。1998年，美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布了一項(xiàng)投資23億美元的清潔水行動(dòng)計(jì)劃，治理美國(guó)已受污染40%的水域。

在發(fā)達(dá)國(guó)家著手治理和改善水環(huán)境的同時(shí)，世界上其他發(fā)展中國(guó)家和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)國(guó)家的水污染卻在日益加劇。在非洲，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源的極度匱乏已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的矛盾，隨著工業(yè)生產(chǎn)帶來的水污染問題的日益加劇，這一矛盾將不斷激化。在拉丁美洲，亞馬遜河沿岸日益增多的工廠和居民區(qū)也使這條美洲國(guó)家的母親河的水質(zhì)急劇惡化，亞馬遜河水質(zhì)的下降也極大的影響著該流域周圍的生態(tài)環(huán)境。除了這些國(guó)家自身對(duì)水環(huán)境的破壞之外，來自發(fā)達(dá)國(guó)家的高污染行業(yè)的進(jìn)入，進(jìn)一步增加了對(duì)水環(huán)境的污染和破外程度。

雖然世界上大多數(shù)國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到污染江河湖泊等天然水資源的惡果，并已經(jīng)開始著手進(jìn)行治理，但畢竟已經(jīng)遭受了巨大的損失，雖然已經(jīng)醒悟，但為時(shí)較晚。而日趨加劇的水污染，已對(duì)人類的生存安全構(gòu)成重大威脅，成為人類健康、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。據(jù)世界權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查，在發(fā)展中國(guó)家，各類疾病有8%是因?yàn)轱嬘昧瞬恍l(wèi)生的水而傳播的，每年因飲用不衛(wèi)生水至少造成全球2000萬(wàn)人死亡，因此，水污染被稱作"世界頭號(hào)殺手"。

在我國(guó)有82%的人飲用淺井和江河水，其中

水質(zhì)污染

嚴(yán)懲細(xì)菌超過衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的占75%，受到有機(jī)物污染的飲用水人口約1.6億。長(zhǎng)期以來，人們一直認(rèn)為自來水是安全衛(wèi)生的。但是，因?yàn)樗廴?，如今的自來水已不能算是衛(wèi)生的了。一項(xiàng)調(diào)查顯示，在全世界

自來水

中，測(cè)出的化學(xué)污染物有2221種之多，其中有些確認(rèn)為致癌物或促癌物。從自來水的飲用標(biāo)準(zhǔn)看，我國(guó)尚處于較低水平，自來水目前僅能采用沉淀、過濾、加氯消毒等方法，將江河水或地下水簡(jiǎn)單加工成可飲用水。自來水加氯可有效殺除病菌，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較多的

鹵代烴

化合物，這些含氯有機(jī)物的含量成倍增加，是引起人類患各種胃腸癌的最大根源。目前，城市污染的成分十分復(fù)雜，受污染的

水域

中除重金屬外，還含有甚多農(nóng)藥、化肥、洗滌劑等有害殘留物，即使是把自來水煮沸了，上述殘留物仍驅(qū)之不去，而煮沸水中增加了有害物的濃度，降低了有益于人體健康的溶解氧的含量，而且也使

亞硝酸鹽

與

三氯甲烷

等致癌物增加，因此，飲用開水的安全系數(shù)也是不高的。據(jù)最新資料透露，目前我國(guó)主要大城市只有23%的居民飲用水符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，小城鎮(zhèn)和農(nóng)村飲用水合格率更低。水污染防治當(dāng)務(wù)之急，應(yīng)確保飲用水合格。為此應(yīng)加大水污染監(jiān)控力度，設(shè)立供水水源地保護(hù)區(qū)。母親河黃河1972年第一次斷流，1997年斷流226天，近700公里河床干涸。海河300條支流，無(wú)河不干，無(wú)河不臭。華北地下水嚴(yán)重超采，形成面積7萬(wàn)多平方公里的世界上最大的地下水漏斗區(qū)，地面下沉，海水入侵。全國(guó)668個(gè)城市中，有400多個(gè)供水不足，100多個(gè)嚴(yán)重缺水。上世紀(jì)九十年代末以來，土地沙化速度上升到每年3400多平方公里。更可怕的是，我國(guó)水資源總量還在下降。1997年總量為27855億立方米，而2004年就降到24130億立方米。從上世紀(jì)50年代以來，長(zhǎng)江上游20多條河流平均萎縮了37.1％。世界自然基金會(huì)3月19日發(fā)表報(bào)告，將長(zhǎng)度與水量均為世界第三的長(zhǎng)江列入世界面臨干涸的10條大河之一[2]。

我國(guó)擁有這么多的大江大河，但隨著人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及對(duì)資源日益愈盛的需求，對(duì)江河及其附近水域造成的污染也日益嚴(yán)重。例如長(zhǎng)江上游三峽庫(kù)區(qū)上游就有大中型工礦企業(yè)三千多家，年均船舶流量有十萬(wàn)余艘[3]。而每年長(zhǎng)江沿岸的城市和農(nóng)村地區(qū)向長(zhǎng)江流域排放的污染物為總量多達(dá)250多億噸，占全國(guó)40%以上，其中80%以上的污水未經(jīng)有效處理就直接排入長(zhǎng)江。排入長(zhǎng)江的主要污染物有：1.工業(yè)廢水和生活污水；2。農(nóng)業(yè)面污染；3.航運(yùn)量激增帶來的大量船舶污染。而這些污染物中包括大量有機(jī)物和重金屬，而這些污染物大多是不可分解或難分解的污染物。長(zhǎng)江主干道多為彎曲河道，了解河道的的彎曲度對(duì)不可分解污染物在彎曲河道中的分布的影響，對(duì)有效應(yīng)對(duì)因此類危險(xiǎn)污染物的大量排放的突發(fā)事故對(duì)水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取有效科學(xué)的對(duì)策，有很大的幫助。因此有必要建立一具預(yù)測(cè)能力的、通用性強(qiáng)、可靠的數(shù)學(xué)模型可對(duì)各種可能情形下的污染物在彎曲河道上的變化做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，從而為水質(zhì)的評(píng)估、改善及管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1.3國(guó)內(nèi)外水質(zhì)模型研究現(xiàn)狀

水污染作為當(dāng)今世界性的環(huán)境問題，已經(jīng)越來越得到各個(gè)國(guó)家的重視。而水質(zhì)模型作為環(huán)境水污染控制，水質(zhì)規(guī)劃和環(huán)境管理的有效工具，已經(jīng)被廣泛用于水污染方面的各項(xiàng)研究。

第一個(gè)水質(zhì)模型是1925年由美國(guó)工程師streeter和phleps提出的氧平衡模型，由phleps在1944年總結(jié)和公布，即經(jīng)典的streeter-phleps水質(zhì)模型[4]。這個(gè)模型的基本原理是相當(dāng)合理的，所以模型及其某些修正公式至今仍被用于模擬水質(zhì)。

美國(guó)環(huán)保局(USEPA)于1970年推出QUAL-Ⅰ水質(zhì)綜合型,1973年開發(fā)出QUAL2-Ⅱ模型,其后又經(jīng)多次修訂和增強(qiáng),推出了QUAL2E、QUAL2E-2UNCAS的水質(zhì)模型。

WASP(WaterQualityAnalysisSimulationProgram)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),可用于對(duì)河流、湖泊、河口、水庫(kù)、海岸的水質(zhì)進(jìn)行模擬.WASP最原始的版本是于1983年發(fā)布的,它綜合了以前其它許多模型所用的概念.

MIKE模型體系由丹麥水動(dòng)力研究所(DHI)開發(fā),包括MIKE11，MIKE21和MIKE3.MIKE11是一維動(dòng)態(tài)模型,能用于模擬河網(wǎng)、河口、灘涂等多種地區(qū)的情況,研究的變量包括水溫、細(xì)菌、氮、磷、DO、BOD、藻類、水生動(dòng)物、巖屑、底泥、金屬以及用戶自定義物質(zhì).它有很好的界面,能處理許多不同類型的水動(dòng)力條件。MIKE21是MIKE11的姐妹模型,在全世界廣泛應(yīng)用,用來模擬在水質(zhì)預(yù)測(cè)中垂向變化常被忽略的湖泊、河口、海岸地區(qū).MIKE3是另一個(gè)由DHI開發(fā)的模型,與MIKE21類似,但它能處理三維空間.

此外歐洲和其他國(guó)家也都獨(dú)立開發(fā)了一些水質(zhì)模型，用于水污染的防治和評(píng)估工作。

中國(guó)作為一個(gè)世界人口大國(guó)，近年來伴隨著人口的增長(zhǎng)，水污染問題也越發(fā)突出。除了加強(qiáng)水污染的防治和監(jiān)管工作之外，利用水質(zhì)模型來研究污染物對(duì)水質(zhì)的影響也越來越重要。近年來國(guó)內(nèi)關(guān)于水質(zhì)模型的研究大多為二維數(shù)學(xué)模型，如采用交錯(cuò)C網(wǎng)格和ADI法對(duì)重慶主城區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)江及嘉陵江匯流流域進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值模擬[5]，以及柳江柳州城區(qū)段二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流—水質(zhì)模型[6]等國(guó)內(nèi)研究均為二維數(shù)值模型。三維水質(zhì)模型近年來也得到了很大的發(fā)展。基于三維不可壓縮流體Navier-Stokes方程和湍流k-ε模型的重力流及污染物數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型對(duì)湖泊或水庫(kù)內(nèi)水下夾帶沉積物的重力流的速度、濃度及沉積物沉積狀態(tài)的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合[1]。三維模擬作為一種更加有效地水質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)，將會(huì)在未來被更加廣泛的運(yùn)用。隨著國(guó)內(nèi)三維水質(zhì)模擬的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，對(duì)有效應(yīng)對(duì)因此類危險(xiǎn)污染物的大量排放的突發(fā)事故對(duì)水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取有效科學(xué)的對(duì)策，有很大的幫助。

1.4彎曲河道污染物數(shù)值模擬的任務(wù)和內(nèi)容

任務(wù)：（1）量化。通過對(duì)污染物的數(shù)值模擬，了解其組成成分的分布情況及其變化規(guī)律，從而為決策提供依據(jù)。

（2）優(yōu)化。通過數(shù)值模擬，采用科學(xué)的規(guī)劃手段對(duì)污染物進(jìn)行優(yōu)化處理以及對(duì)污染物進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，使污染物的含量和組成成分對(duì)環(huán)境的影響降到最小。

（3）決策。對(duì)水環(huán)境各種資源進(jìn)行調(diào)度，分配，使得其社會(huì)效益和環(huán)境效益均達(dá)到較理想狀態(tài)。

（4）控制。使水環(huán)境的各資源在管理者的監(jiān)控之下，發(fā)揮其最大的社會(huì)效益[7]。

內(nèi)容：對(duì)水流流場(chǎng)、水質(zhì)濃度場(chǎng)等進(jìn)行模擬，分析污染物在空間和時(shí)間上的變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的有效規(guī)劃管理和污染控制。

對(duì)一固定流速場(chǎng)中等彎曲度河道內(nèi)投入較重或較輕的污染物的研究[9]已經(jīng)存在，但河道彎曲程度對(duì)污染物在彎曲河道內(nèi)的分布特征會(huì)有什么影響還未研究。本課題中將通過建立二維和三維模型來模擬不同河流的彎曲度對(duì)不可分解污染物在河道中分布的影響。

1.5彎曲河道污染物數(shù)值模擬的意義

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，復(fù)雜的工程問題可以采用離散化的數(shù)值計(jì)算方法并借助計(jì)算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?。通過計(jì)算機(jī)模擬污染物在彎曲河道的分布情況，具有以下重要意義：

（1）掌握水環(huán)境內(nèi)部因子的變化規(guī)律；（2）對(duì)污染物的變化進(jìn)行定性和定量的表述；（3）提高水污染治理的規(guī)劃管理工作的效率；（4）分析和預(yù)測(cè)污染物對(duì)水質(zhì)的影響，從而采取有效措施去減少污染物對(duì)水環(huán)境的危害。

2．?dāng)?shù)值計(jì)算模型

2.1水質(zhì)模型的介紹

任何水質(zhì)模型都是依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒和能量守恒原理,通過流體力學(xué)中的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程推導(dǎo)得出;如考慮水質(zhì)組分間的相互作用及其自身生化作用影響,可以得出更加全面、綜合的水質(zhì)模型.目前河流水質(zhì)模型主要采用數(shù)值模型，物理模型及模擬模型[8]。其中數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用為污染后水質(zhì)的快速分析和處理處置提供形象直觀的決策支持工具。數(shù)值模擬因其具有物理模擬和模型模擬所無(wú)法比擬的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和適應(yīng)性,成為一種常用、有效的模擬方式。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算方法的不斷改進(jìn),以及前處理和后處理技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了數(shù)值模擬技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，也推動(dòng)數(shù)學(xué)模擬精確度、可靠度不斷提高。數(shù)值模擬技術(shù)可以在較大的區(qū)域內(nèi)研究工程問題,克服了物理模型的比尺效應(yīng);可以方便快捷地進(jìn)行多方案比選,具有周期短、成本低的優(yōu)勢(shì);可以廣泛地進(jìn)行規(guī)律性的探討,增加工程研究的科學(xué)性.

2.2.數(shù)學(xué)模型發(fā)展歷史

數(shù)學(xué)模型按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，若以空間的維數(shù)來劃分有零維、一維、二維及三維模型。始于二十世紀(jì)初早期的模型如污染物衰減的動(dòng)力學(xué)方程及Streeter-Phelps的氧平衡模型為簡(jiǎn)單的零維或一維模型。盡管很早就確立了污染物遷移的三維模型微分方程，由于其求解，特別是對(duì)于與之相關(guān)的含湍流的流體的Navier-Stokes方程求解的困難，上世紀(jì)七十年代之前的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型多停留在一維及一些具簡(jiǎn)單幾何形狀及特殊邊界條件的有解析解的二、三維模型。這些模型除了上述的幾何形狀及特殊邊界條件的限制外，還需假定已知水體為均勻流速。其后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，涌現(xiàn)了一大批基于數(shù)值計(jì)算的可應(yīng)用至復(fù)雜幾何形狀的水體水質(zhì)模擬的二、三維模型。由于通用三維模型的復(fù)雜性，現(xiàn)行研究的不少模型依然是基于二維淺水方程或深度平均方程，應(yīng)用不同數(shù)值解法如通量向量分裂法（FVS）、格子Boltzmann法(LBM)等。這些方法盡管可以一定程度地滿足水質(zhì)分析的需要，但也存在一些缺陷，如不能解析邊界層及污染物在深度方向上的變化，模擬的精度很大程度地依賴通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)確定的橫向及縱向的紊流及彌散擴(kuò)散系數(shù)等。本課題中所建立的基于三維不可壓縮流體Navier-Stokes方程和湍流k-ε模型的重力流及污染物數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型可以很好地克服深度平均模型的上述缺陷，精確模擬污染物濃度在河流的彎曲度分布情況和三維空間及時(shí)間上的變化情況。

2.3三維模擬污染物擴(kuò)散控制方程

應(yīng)用不可壓縮流體的Navier-Stokes方程，構(gòu)建流體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型[5]。水流運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量和動(dòng)量守恒的方程分別如下：

（2.3.1）

（2.3.2）

其中ui是坐標(biāo)軸xi方向的雷諾平均速度，t為時(shí)間，p為壓強(qiáng)，ρ和μ分別為液體密度、粘度，t為渦粘度。考慮到污染物和環(huán)境液體的密度不同，進(jìn)行了浮力項(xiàng)修正的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型被用來模擬湍流動(dòng)能k及湍流耗散速率ε。渦粘度依下式求得

(2.3.3)

第k(k=1,2,3,4,5…)污染物濃度的傳輸方程為：

(2.3.4)

式中γsk為第k種粒子狀污染物在水中的下沉速度，對(duì)可溶性污染物，其值為零；為克羅內(nèi)克符號(hào)，t為運(yùn)動(dòng)渦粘度，Sc為施密特?cái)?shù)[1]。

2.4模型邊界條件

邊界條件包括流動(dòng)變量和熱變量在邊界處的值。它是FLUENT分析得很關(guān)鍵的一部分。

邊界條件的分類：（1）進(jìn)出口邊界條件：壓力、速度、質(zhì)量進(jìn)口、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)氣扇、壓力出口、壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件、質(zhì)量出口、通風(fēng)口、排氣扇；壁面、repeating,andpoleboundaries:壁面，對(duì)稱，周期，軸；內(nèi)部單元區(qū)域：流體、固體(多孔是一種流動(dòng)區(qū)域類型)；（2）內(nèi)部表面邊界：風(fēng)扇、散熱器、多孔跳躍、壁面、內(nèi)部等。下面介紹常見的幾種邊界條件。

(1)速度入口(velocity-inlet)：給出入口邊界上的速度。

給定入口邊界上的速度及其他相關(guān)標(biāo)量值。該邊界條件適用于不可壓速流動(dòng)問題，對(duì)可壓縮問題不適合，否則該入口邊界條件會(huì)使入口處的總溫或總壓有一定的波動(dòng)。

(2)壓力入口(pressure-inlet)：給出入口邊界上的總壓。

壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對(duì)計(jì)算可壓和不可壓?jiǎn)栴}都適合。壓力進(jìn)口邊界條件通常用于進(jìn)口流量或流動(dòng)速度為未知的流動(dòng)。壓力入口條件還可以用于處理自由邊界問題。

壓力入口條件需要輸入的參數(shù)有總壓、總溫、流動(dòng)方向、靜壓、湍流量(用于湍流計(jì)算)、輻射參數(shù)(考慮輻射)、化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(考慮化學(xué)組分)、混合分?jǐn)?shù)及其方差(用PDF燃燒模型)、progressvariable(預(yù)混燃燒計(jì)算)、離散相邊界條件(稀疏相計(jì)算)及第二相體積分?jǐn)?shù)(多相計(jì)算)等。

(3)質(zhì)量入口(mess-flow-inlet)：給出入口邊界上的質(zhì)量流量。

質(zhì)量入口邊界條件主要用于可壓縮流動(dòng)；對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，由于密度是常數(shù)，可以用速度入口條件。

質(zhì)量入口條件包括兩種：質(zhì)量流量和質(zhì)量通量。質(zhì)量流量是單位時(shí)間內(nèi)通過進(jìn)口總面積的質(zhì)量。質(zhì)量通量是單位時(shí)間單位面積內(nèi)通過的質(zhì)量。如果是二維軸對(duì)稱問題，質(zhì)量流量是單位時(shí)間內(nèi)通過2π弧度的質(zhì)量，而質(zhì)量通量是通過單位時(shí)間內(nèi)通過1弧度的質(zhì)量。給定入口邊界上的質(zhì)量流量，此時(shí)局部進(jìn)口總壓是變化的，用以調(diào)節(jié)速度，從而達(dá)到給定的流量，這使得計(jì)算的收斂速度變慢。所以，如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適用時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇用壓力入口邊界條件。對(duì)于不可壓速流動(dòng)，由于密度是常數(shù)，可以選擇用速度進(jìn)口邊界條件。

(4)壓力出口(pressure-outlet)：給定流動(dòng)出口邊界上的靜壓。

對(duì)于有回流的出口，該邊界條件比outflow邊界條件更容易收斂。給定出口邊界上的靜壓強(qiáng)(表壓強(qiáng))。該邊界條件只能用于模擬亞音速流動(dòng)。如果當(dāng)?shù)厮俣纫呀?jīng)超過音速，該壓力在計(jì)算過程中就不采用了。壓力根據(jù)內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算結(jié)果給定。其他量都是根據(jù)內(nèi)部流動(dòng)外推出邊界條件。該邊界條件可以處理出口有回流問題，合理的給定出口回流條件，有利于解決有回流出口問題的收斂困難問題。

出口回流條件需要給定：回流總溫(如果有能量方程)、湍流參數(shù)(湍流計(jì)算)、回流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(有限速率模型模擬組分輸運(yùn))、混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其方差(PDF計(jì)算燃燒)。如果有回流出現(xiàn)，給定的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力。回流流動(dòng)方向與出口邊界垂直。在出口壓力邊界條件給定中，需要給定出口靜壓(表壓)。當(dāng)然，該壓力只用于亞音速計(jì)算。如果局部變成超音速，則根據(jù)前面來流條件外推出口邊界條件。需要特別指出的是，這里的壓力是相對(duì)于前面給定的工作壓力。

(5)無(wú)窮遠(yuǎn)壓力邊界(pressure-far-field)：該邊界條件用于可壓縮流動(dòng)。

如果知道來流的靜壓和馬赫數(shù)，F(xiàn)LUENT提供了無(wú)窮遠(yuǎn)壓力邊界條件來模擬該類問題。該邊界條件適用于用理想氣體定律計(jì)算密度的問題。定邊界靜壓和溫度及馬赫數(shù)?？梢允莵喴羲?、跨音速或者超音速。并且需要給定流動(dòng)方向，如果有需要還必須給定湍流量等參數(shù)。

無(wú)窮遠(yuǎn)壓力邊界條件是一種不反射邊界條件。

(6)自由出流(outflow)：對(duì)于出流邊界上的壓力或速度均為未知的情形，可以選擇自由出流邊界條件。

這類邊界條件的特點(diǎn)是不需要給定出口條件(除非是計(jì)算分離質(zhì)量流、輻射換熱或者包括顆粒稀疏相問題)。出口條件都是通過FLUENT內(nèi)部計(jì)算得到。但并不是所有問題都適合，但含壓力進(jìn)口條件，可壓縮流動(dòng)問題，有密度變化的非穩(wěn)定流動(dòng)問題(即使是不可壓縮流動(dòng))時(shí)不可用。

用出流邊界條件時(shí)，所有變量在出口處擴(kuò)散通量為零。即出口平面從前面的結(jié)果計(jì)算得到，并且對(duì)上游沒有影響。計(jì)算時(shí)，如果出口截面通道大小沒有變化，采用完全發(fā)展流動(dòng)假設(shè)。當(dāng)然，在徑向允許有梯度存在，只是假定在垂直出口面方向上擴(kuò)散通量為零。

(7)對(duì)稱邊界(symmetry)：對(duì)稱邊界條件適用于流動(dòng)及傳熱場(chǎng)是對(duì)稱的情形。

在對(duì)稱軸或者對(duì)稱平面上，既無(wú)質(zhì)量的交換，也無(wú)熱量等其他物理量的交換，因此垂直于對(duì)稱軸或者對(duì)稱平面的速度分量為零。在對(duì)稱軸或者對(duì)稱平面上，所有物理量在其垂直方向上的梯度為零。因此在對(duì)稱邊界上，垂直于邊界的速度分量為零，任何量的梯度也為零。

計(jì)算中不需要給定任何參數(shù)，只需要確定合理的對(duì)稱位置。該邊界條件可用于黏性流中運(yùn)動(dòng)邊界處理。

(8)周期性邊界(periodic)。

如果我們關(guān)心的流動(dòng)，其幾何邊界，流動(dòng)和換熱是周期性重復(fù)的，那么可以采用周期性邊界條件。FLUENT提供了兩種類型：一類是流體經(jīng)過周期性重復(fù)后沒有壓降(cyclic)；另外一類有壓降(periodic)。

(9)固壁邊界(wall)。

對(duì)于黏性流動(dòng)問題，F(xiàn)LUENT默認(rèn)設(shè)置是壁面無(wú)滑移條件。對(duì)于壁面有平移運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以指定壁面切向速度分量，也可以給出壁面切應(yīng)力從而模擬壁面滑移。根據(jù)流動(dòng)情況，可以計(jì)算壁面切應(yīng)力和與流體換熱情況。壁面熱邊界條件包括固定熱通量、固定溫度、對(duì)流換熱系數(shù)、外部輻射換熱、外部輻射換熱與對(duì)流換熱等。

(10))進(jìn)口通風(fēng)(inletvent)：進(jìn)口通風(fēng)邊界條件需要給定入口損失系數(shù)、流動(dòng)方向和進(jìn)口環(huán)境總壓和總溫。

對(duì)于進(jìn)口通風(fēng)模型，假定進(jìn)口風(fēng)扇無(wú)限薄，通風(fēng)壓降正比于流體動(dòng)壓頭和用戶提供的損失系數(shù)。

(11))進(jìn)口風(fēng)扇(intakefan)：進(jìn)口風(fēng)扇邊界條件需要給定壓降、流動(dòng)方向和環(huán)境總壓和總溫。

假定進(jìn)口風(fēng)扇無(wú)限薄，并且有不連續(xù)的壓力升高，壓力升高量是通過風(fēng)扇速度的函數(shù)。如果是反向流動(dòng)，風(fēng)扇可以看成是通風(fēng)出口，并且損失系數(shù)為1。壓力階躍可以是常數(shù)，或者是流動(dòng)方向垂直方向上速度分量的函數(shù)形式。

(12)出口通風(fēng)(outletvent)。

出口通風(fēng)邊界條件用于模擬出口通風(fēng)情況，并給定一個(gè)損失系數(shù)以及環(huán)境(出口)壓力和溫度。排出風(fēng)扇給定損失系數(shù)和環(huán)境靜壓和靜溫。出口通風(fēng)邊界條件需要給定如下參數(shù)：靜壓、回流條件、輻射參數(shù)、離散相邊界條件、損失系數(shù)。

2.5數(shù)值計(jì)算方法

本課題中采用的數(shù)值模擬的基本方法為FerzigerandPeric(1999)所描述的適用于非正交網(wǎng)格的有限體積元法（FV）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可使模型方程保持其原始形式且各離散項(xiàng)都有清晰的物理意義,有助于進(jìn)一步分析和編程。對(duì)模型方程的對(duì)流項(xiàng)采用近似于二階精度的中心離散及迎風(fēng)格式的混合法，擴(kuò)散項(xiàng)的濃度梯度按具有二次精度的高斯定理計(jì)算。對(duì)非恒定項(xiàng)采用二階精度隱式方案。在對(duì)守恒方程的各項(xiàng)離散后，任何一個(gè)網(wǎng)格單元中心最終的離散方程式可寫成一個(gè)線性方程式，對(duì)整個(gè)模擬區(qū)域的網(wǎng)格線性離散后即得到一線性方程組。然后應(yīng)用收斂快的迭代數(shù)值求解該線性方程組，求得未知變量。

數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵之處在于制作網(wǎng)格，然后再倒入Fluent軟件進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，這對(duì)于精確求解有較大的梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的效果。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整值在加密區(qū)實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約時(shí)間。

利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動(dòng)的模擬計(jì)算。首先利用GAMBIT進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建，邊界類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于用于FLUENT求解器計(jì)算公式的格式；然后利用FLUENT進(jìn)行計(jì)算，其中求解器是流體計(jì)算的核心，所有計(jì)算在此完成，主要功能是導(dǎo)入前處理器生成的網(wǎng)格模型，提供計(jì)算的物理模型，確定材料的特性，施加邊界條件，完成計(jì)算并進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)的后續(xù)處理。后處理軟件是從各個(gè)方面觀察流體計(jì)算結(jié)果。

FLUENT程序可以求解可壓縮和不可壓縮流動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)、牛頓流體和非牛頓流體慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)模擬、兩相流、復(fù)雜表面形狀下的自由流動(dòng)等問題。在本課題中，運(yùn)用FLUENT求解和模擬不可壓縮流。

2.6模擬預(yù)期結(jié)果

本課題中基于不可壓縮流體的RANS方程和湍流k-ε模型建立的關(guān)于污染物及沉積物在水體中遷移的二維和三維動(dòng)力學(xué)模型，選取10度、35度和70度三種河道彎度對(duì)不可分解污染物的分布情況進(jìn)行驗(yàn)證，并最終得出所需要的數(shù)據(jù)以及污染物在不同彎曲度分布情況較為準(zhǔn)確的特征。

3河道各段數(shù)據(jù)計(jì)算

3.1河道各段數(shù)據(jù)和計(jì)算公式

本課題研究對(duì)象為天然河道的彎曲度對(duì)污染物在彎曲河道內(nèi)的分布特征的影響。在本次設(shè)計(jì)中分別選取了10度，35度，70度三種不同彎曲度的河道進(jìn)行研究。河道的斷面尺寸如下圖所示：

圖3.1河道斷面尺寸圖

河道橫向坐標(biāo)用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

ds=λ/網(wǎng)格數(shù)（20）

θ=Ω*sin(2π(x-xo)/λ)

λ=40mΩ=10度，35度，70度

x(i)=x(i-1)+ds*cosθ(i-1)

y(i)=y(i-1)+ds*sinθ(i-1)

z(i)=y(i-1)-ds*坡度

坡度=0.2/1000=0.0002

3.2河道彎曲度為10度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

河流橫向長(zhǎng)度取170m,其中前40m為直河道，河道取兩個(gè)正弦彎曲河道，λ=40m，彎曲河道后為50m直河道。如下圖所示。

圖3.210度彎曲河道橫向斷面圖

由于河道的前四十米和后五十米為直河道，故不需要對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，只需要對(duì)兩個(gè)正弦彎曲河道的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。在x軸方向上，取一米長(zhǎng)為一個(gè)計(jì)算單位，代入公式進(jìn)行計(jì)算。河道各點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見附表。

3.3河道彎曲度為35度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

河道橫向圖如下所示。

圖3.335度彎曲河道橫向斷面圖

河道各坐標(biāo)的計(jì)算方法同彎曲度為10度的河道，各坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見附表。

3.4河道彎曲度為70度的河道數(shù)據(jù)計(jì)算

河道橫向示意圖如下所示。

圖3.470度彎曲河道橫向斷面圖

河道各坐標(biāo)的計(jì)算方法同彎曲度為10度的河道，各坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見附表。

4基于Gambit和Fluent技術(shù)下二維河道的模擬

4.1Gambit軟件和Fluent軟件的介紹及其特點(diǎn)

GAMBIT是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件包[10]。GAMBIT通過它的用戶界面（GUI）來接受用戶的輸入。GAMBITGUI簡(jiǎn)單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟。

GAMBIT軟件具有以下特點(diǎn)[11]：

ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力，通過多種方式直接建立點(diǎn)、線、面、體，而且具有強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力；

可對(duì)自動(dòng)生成的Journal文件進(jìn)行編輯，以自動(dòng)控制修改或生成新幾何與網(wǎng)格；

可以導(dǎo)入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多數(shù)CAD/CAE軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過程新增自動(dòng)公差修補(bǔ)幾何功能，以保證GAMBIT與CAD軟件接口的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工作量；

新增PRO/E、CATIA等直接接口，使得導(dǎo)入過程更加直接和方便；

強(qiáng)大的幾何修正功能，在導(dǎo)入幾何時(shí)會(huì)自動(dòng)合并重合的點(diǎn)、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角、去除小面、去除單獨(dú)輔助線和修補(bǔ)倒角時(shí)更加快速、自動(dòng)、靈活，而且準(zhǔn)確保證幾何體的精度；

強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分包括邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。GAMBIT中專用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格；

先進(jìn)的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)是GAMBIT所獨(dú)有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，使用該技術(shù)劃分網(wǎng)格時(shí)更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量；

居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)（Sizefunction）功能可使用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過渡與分布更加合理，最大限度地滿足CFD分析的需要；

GAMBIT可高度智能化地選擇網(wǎng)格劃分方法，可對(duì)極其復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格；

可為FLUENT、POLYFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格和格式。

FLUENT軟件是用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)的CFD商業(yè)軟件包。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。

FLUENT軟件具有以下特點(diǎn)[12]：

FLUENT軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法；

定常/非定常流動(dòng)模擬，而且新增快速非定常模擬功能；

FLUENT軟件中的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動(dòng)的問題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動(dòng)壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動(dòng)生成。網(wǎng)格變形方式有三種：彈簧壓縮式、動(dòng)態(tài)鋪層式以及局部網(wǎng)格重生式。其局部網(wǎng)格重生式是FLUENT所獨(dú)有的，而且用途廣泛，可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問題以及物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律事先不知道而完全由流動(dòng)所產(chǎn)生的力所決定的問題；

FLUENT軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。值得強(qiáng)調(diào)的是，F(xiàn)LUENT軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)以及動(dòng)網(wǎng)格與網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)；

FLUENT軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的；

FLUENT軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無(wú)粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型組、k-ε模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；

適用于牛頓流體、非牛頓流體；

含有強(qiáng)制/自然/混合對(duì)流的熱傳導(dǎo)，固體/流體的熱傳導(dǎo)、輻射；

化學(xué)組份的混合/反應(yīng)；

自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型；

融化溶化/凝固；蒸發(fā)/冷凝相變模型；

離散相的拉格朗日跟蹤計(jì)算；

非均質(zhì)滲透性、慣性阻抗、固體熱傳導(dǎo)，多孔介質(zhì)模型（考慮多孔介質(zhì)壓力突變）；

風(fēng)扇，散熱器，以熱交換器為對(duì)象的集中參數(shù)模型；

慣性或非慣性坐標(biāo)系，復(fù)數(shù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系及滑移網(wǎng)格；

動(dòng)靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面；

基于精細(xì)流場(chǎng)解算的預(yù)測(cè)流體噪聲的聲學(xué)模型；

質(zhì)量、動(dòng)量、熱、化學(xué)組份的體積源項(xiàng)；

豐富的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；

磁流體模塊主要模擬電磁場(chǎng)和導(dǎo)電流體之間的相互作用問題；

連續(xù)纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動(dòng)之間的動(dòng)量、質(zhì)量以及熱的交換問題；

高效率的并行計(jì)算功能，提供多種自動(dòng)/手動(dòng)分區(qū)算法；內(nèi)置MPI并行機(jī)制大幅度提高并行效率。另外，F(xiàn)LUENT特有動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能，確保全局高效并行計(jì)算；

FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發(fā)接口（UDF）。

4.2不同彎曲度河流的二維溫度模擬

污染物和水的各種物理和化學(xué)特性是不同的，例如溫度，密度，酸堿度等。在研究污染物在彎曲河道的分布情況之前，可先用溫度模擬污染物在河流中的變化情況。

4.2.1河道彎曲度為10度

二維模擬選取X-Y面為基準(zhǔn)面，將10度彎曲河道的計(jì)算結(jié)果倒入到文本文檔，只取x和y方向的數(shù)據(jù)，z方向均為零。再將文本文檔里的數(shù)據(jù)倒入到gambit軟件中，繪制出如下10度彎曲河道的二維網(wǎng)格圖。

圖4.2.110度彎曲河道二維網(wǎng)格圖

在X-Y坐標(biāo)面上的網(wǎng)格數(shù)為100*43，并對(duì)河道兩邊進(jìn)行加密處理。在河流的入口端用gambit中的split功能在河流中心劃分出一個(gè)污染物入口，定義為入口2（inlet2），其他兩端入口定義為水流入口1（inlet1）。河流出口定義為出口（outlet）。最后生成可以導(dǎo)入fluent計(jì)算的mesh文件。

利用Fluent求解器求解mesh文件的步驟如下：

1.Fluent求解器的選擇（選二維單精度求解器）。

2.文件的倒入和網(wǎng)格操作

(1)File—read—case(讀入網(wǎng)格文件)；

(2)Grid—check(檢查網(wǎng)格文件)；

(3)Grid—scale(設(shè)置計(jì)算區(qū)域尺寸)；

(4)Display—grid(顯示網(wǎng)格)。

3.選擇計(jì)算模型

(1)Define—model—solver(求解器的定義)；

(2)Define—model—Energy(選定能量計(jì)算模型)；

(3)Define—operationconditions(操作環(huán)境的設(shè)置)；

(4)Define—materials(定義流體的物理性質(zhì))；

(5)Define—boundaryconditions(設(shè)置邊界條件)。

4.求解方法的設(shè)置及其控制

(1)Slove—controls—solution(求解參數(shù)的設(shè)置)；

(2)Slove—initizlize—initialize(初始化)；

(3)Solve—monitors—residual(打開殘差圖)；

(4)File—write—case&data(保存當(dāng)前文件)；

(5)Slove—interate(開始迭代)。

5.計(jì)算結(jié)果顯示:Display—contours(顯示模擬輪廓線).

6.保存計(jì)算后的文件：File—write—case&data.

通過Fluent求解器處理后，能夠得到污染物溫度在河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。

圖4.2.1a溫度迭代圖

圖4.2.1b污染物溫度變化圖

4.2.2河道彎曲度為35度

和10度的彎曲河道操作步驟相同，繪制出35度彎曲河道網(wǎng)格圖如下所示：

圖4.2.235度彎曲河道二維網(wǎng)格圖

X-Y坐標(biāo)面上的二維網(wǎng)格數(shù)為100*43，河道兩邊進(jìn)行了加密處理。生成了mesh文件后倒入Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算，得到污染物溫度在河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。

圖4.2.2a溫度迭代圖

圖4.2.2b污染物溫度變化圖

4.2.3河道彎曲度為70度

和10度的彎曲河道操作步驟相同，繪制出70度彎曲河道網(wǎng)格圖如下所示：

圖4.2.370度彎曲河道二維網(wǎng)格圖

X-Y坐標(biāo)面上的二維網(wǎng)格數(shù)為200*43，河道兩邊同樣進(jìn)行了加密處理。生成了mesh文件后倒入Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算，得到污染物溫度在河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。

圖4.2.3a溫度迭代圖

圖4.2.3b污染物溫度變化圖

4.2.4二維溫度模擬結(jié)果分析

從三種彎曲度的河道得到的污染物溫度變化圖可以看出，河道彎曲度影響污染物的擴(kuò)散速度。彎曲度越大，污染物擴(kuò)散的越快，10度彎曲河道中，污染物流過第一個(gè)彎道后才逐漸擴(kuò)散開來；35度彎曲河道中，污染物剛剛流到第一個(gè)河道彎曲處就幾乎完全擴(kuò)散開來；70度彎曲河道中，污染物在第一個(gè)河道彎曲處之前就已經(jīng)完全擴(kuò)散開來了。

4.3不同彎曲度河流的二維速度和密度模擬

4.3.1不同河道彎曲度流速變化分析

將溫度網(wǎng)格圖生成的mesh文件導(dǎo)入Fluent求解器中，在定義污染物和水的混合物與溫度有所不同，具體操作如下：

Define—model—species—transport&reaction（選取混合物模型）；

Define—materials（自定義污水性質(zhì)，污水密度定位1015kg/m3，其他性質(zhì)和水相同）；

再重復(fù)Define—model—species—transport&reaction的操作，將混合物的調(diào)為水和污水）；

Define—model—Energy（關(guān)掉能量方程）。

通過Fluent求解器處理后，能夠得到污染物在河流中擴(kuò)散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污染物在河流中的速度圖和污染物擴(kuò)散變化圖如下所示。

圖4.3.1a10度彎曲河道污染物密度迭代效果圖

圖4.3.1b10度彎曲河道流速分布圖

圖4.3.1c10度彎曲河道流速矢量圖

將計(jì)算溫度的35度網(wǎng)格生成的mesh文件導(dǎo)入Fluent求解其中，具體操作步驟與10度彎曲河道相同，通過Fluent求解器處理后，能夠得到污染物在河流中擴(kuò)散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污染物在河流中的速度圖和污染物擴(kuò)散變化圖如下所示。

圖4.3.1d35度彎曲河道污染物密度迭代效果圖

圖4.3.1e35度彎曲河道流速分布圖

圖4.3.1f35度彎曲河道流速矢量圖

將計(jì)算溫度時(shí)的70度網(wǎng)格生成的mesh文件導(dǎo)入Fluent求解其中，具體操作步驟與10度彎曲河道相同，通過Fluent求解器處理后，能夠得到污染物在河流中擴(kuò)散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污染物在河流中的速度圖和污染物擴(kuò)散變化圖如下所示。

圖4.3.1g70度彎曲河道污染物密度迭代效果圖

圖4.3.1h70度彎曲河道流速分布圖

圖4.3.1i70度彎曲河道流速分布圖矢量圖

從三種彎曲度河道的流速和分布圖可以清晰地看到，河流彎曲度對(duì)水流速度影響很大。在10度彎曲河道的密度分布中，因?yàn)閺澢容^小，整體流速變化較小，只在河道彎曲處產(chǎn)生流速的變化，而且變化較小。如圖圖4.3.1b所示。當(dāng)彎曲度增大時(shí)，可以明顯看到流速的變化。在河流的轉(zhuǎn)彎處會(huì)產(chǎn)生死水區(qū)和回水區(qū)，這里的流速很小。但在死水區(qū)和回水區(qū)的對(duì)岸，因?yàn)楹拥腊l(fā)生彎曲，是這一地區(qū)的水流速度增大。從35度彎曲河道可以很明顯的看到流速的分布圖，如圖4.3.1e所示。當(dāng)河流彎曲度繼續(xù)增大時(shí)，水流流速在河道彎曲度變化更為明顯。而且會(huì)在河道轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生較大區(qū)域的死水區(qū)。當(dāng)水流從彎道進(jìn)入后面的直道后，在河道的一岸還會(huì)出現(xiàn)一段直的死水區(qū)或回水區(qū)，如圖4.3.1h所示。

速度矢量圖反映了水流方向。尤其是在死水區(qū)或回水區(qū)，可以看到矢量箭頭呈回旋狀態(tài)。如圖4.3.1c，圖4.3.1f和圖4.3.1i所示。

4.3.2二維密度模擬結(jié)果比較分析

三種不同彎曲河道污染物在河道各處的分布情況如下所示：

4.3.2a10度污染物擴(kuò)散變化圖

4.3.2b35度污染物擴(kuò)散變化圖

4.3.2c70度污染物擴(kuò)散變化圖

當(dāng)污水從河流入口進(jìn)入河道之后，會(huì)隨著水流逐漸擴(kuò)散開來，直到和水流完全混合為止。在10度彎曲河道中，由于河流彎曲度較小，水流速度變化較小，污染物會(huì)以一個(gè)較為穩(wěn)定的速度往下游流去，擴(kuò)散速度也比較慢，最終在模擬河道的出口處還未完全擴(kuò)散開來，如圖4.3.2a所示。當(dāng)河道彎曲度為35度時(shí)，由于在河道彎曲處水流速度變化明顯，污染物在靠近河道內(nèi)沿處流速變化大的一側(cè)濃度較大，擴(kuò)散速度也隨水流速度的增大而加快。最終在模擬河道的出口之前就完全擴(kuò)散開來。如圖4.3.2b所示。當(dāng)河流彎曲度取70度時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)污染物擴(kuò)散的速度更為明顯。因?yàn)樵诤拥擂D(zhuǎn)彎處水流速度變化更大，最終污染物在進(jìn)入第三個(gè)河流彎道之前就已經(jīng)完全擴(kuò)散開來。如圖4.3.2c所示。

5三維河道的模擬

5.1不同彎曲河流的三維網(wǎng)格

天然河道均為三維，三維模擬河流中污染物的擴(kuò)散情況更有現(xiàn)實(shí)意義。三維網(wǎng)格要比二維網(wǎng)格更復(fù)雜，在gambit繪圖軟件中，先選取Y-Z坐標(biāo)面繪制出河道的斷面圖，再通過sweep的方法，分別可以得到10度，35度和70度彎曲河道的三維網(wǎng)格圖。三種彎曲河道的三維網(wǎng)格圖如下所示：

圖5.1a10度彎曲河道三維面網(wǎng)格

圖5.1b35度彎曲河道三維面網(wǎng)格

圖5.1c70度彎曲河道三維網(wǎng)格

在X-Y-Z坐標(biāo)系中10度彎曲河道的三維網(wǎng)格數(shù)為172*10*54；35度彎曲河道三維面網(wǎng)格數(shù)為600*10*54；70度彎曲河道三維網(wǎng)格數(shù)為300*10*54。在河道的入口處用面的split功能在河道中心劃分出一個(gè)污染物的入口，定義為入口1（inlet1），其他兩個(gè)入口定義為入口2（inlet2），兩個(gè)入口均設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)邊界；河道出口定義為出口（outlet），設(shè)置為自由出流邊界（outflow）；河流上表面與空氣接觸的面為設(shè)置為對(duì)稱邊界（symmetry）。然后生成mesh文件，以倒入Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算處理。

利用Fluent求解器來計(jì)算網(wǎng)格時(shí)，具體操作步驟與二維基本相同，只是在選擇求解器的類型時(shí)，選3d（三維單精度求解器），同時(shí)在Define—operationconditions(操作環(huán)境的設(shè)置)時(shí)，選擇重力影響，并在Y方向填入重力加速度，因?yàn)橹亓?duì)水流的作用向下，故在該欄填入-9.8m/s2.

5.2不同彎曲河道表面速度比較分析

流速圖和流速軌跡圖可以反映河道內(nèi)水流流速在河道彎曲處的變化情況，以下選取河流表面為參考面，模擬出河道表面流速圖，流速矢量圖和流速軌跡圖。

10度彎曲河道三維污染物迭代效果圖

圖5.2a10度彎曲河道表面速度分布圖

圖5.2b10度彎曲河道表面速度矢量圖

圖5.2c10度彎曲河道表面速度跡線圖

從10度彎曲河道速度圖和跡線圖可以看出，在河道轉(zhuǎn)彎處會(huì)有很小的區(qū)域存在死水或回水區(qū)，但整體得流速變化不是很大。

35度彎曲河道三維污染物迭代效果圖

圖5.2d35度彎曲河道表面速度圖

圖5.2e35度彎曲河道表面速度矢量圖

圖5.2f35彎曲度河道表面速度矢量圖

從35度彎曲河道的速度圖和跡線圖可以看出，在河道轉(zhuǎn)彎處有較大的區(qū)域存在死水區(qū)或回水區(qū)，而且在河道轉(zhuǎn)彎處水流速度變化比較大，這對(duì)污染物在彎道處的分布可能有一定的影響。

70度彎曲河道三維污染物迭代效果圖

圖5.2g35度彎曲河道表面速度圖

圖5.2h35度彎曲河道表面速度矢量圖

從河道表面的速度圖，速度矢量圖和速度跡線圖可以明顯看出河道的彎曲處已經(jīng)產(chǎn)生了較大區(qū)域的死水區(qū)或回水區(qū)，而且在河道彎曲處水流速度變化很大，河道一邊的速度明顯變大很多，這可能對(duì)污染物的分布有較大影響。

5.3不同彎曲河道縱斷面污染物分布比較分析

通過Fluent求解器處理后，能夠得到污染物濃度在河流中的變化情況。由于三維河道中有重力作用的影響，要觀察河流中污染物的擴(kuò)散情況，需要切河道剖面圖進(jìn)行觀察。此時(shí)需要用到Fluent里的Surface—Iso-surface在X方向上進(jìn)行切剖面，在本課題中選取了八個(gè)河道斷面進(jìn)行研究，分別是x=0m,1m,5m,10m,25m,40m,60m,80m，由于河道前40m為直河道，三種彎曲度的河道在前40米的分布情況基本相同，故只需要一組模擬圖用于分析在該段污染物擴(kuò)散和分布的情況。

圖5.3aX=0m

圖5.3bX=1m

圖5.3cX=5m

圖5.3dX=10m

圖5.3eX=25m

圖5.3.f(10)X=40m

圖5.3f(35)X=40m

圖5.3f(70)X=40m

圖5.3g(10)X=60m

圖5.3g(35)X=60m

圖5.3g(70)X=60m

圖5.3h(10)X=80m

圖5.3h(35)X=80m

圖5.3h(70)X=80m

污染物在三種不同彎曲河道處的河道斷面的擴(kuò)散情況如圖5.3a-5.3h所示。在前40m直河道中，當(dāng)污染物進(jìn)入河道之后，因?yàn)槠涿芏缺人?，?dāng)受到重力作用時(shí)，會(huì)在向下游流動(dòng)的過程中顯示出坍塌狀地由中央向兩邊底部擴(kuò)散，在繼續(xù)向下游流動(dòng)的過程中，污染物顯示出濃度更加向中間集中；當(dāng)污染物進(jìn)入第一個(gè)彎道處后（圖5.3f），在10度彎道處，由于彎曲度較小，污染物在整個(gè)河道底部分布比較均勻；而在35度和70度彎道處，因?yàn)閺澋捞幜魉僮兓^大，污染物濃度在河道外沿濃度較高：在流入到第二個(gè)彎道后，污染物濃度在靠近河道內(nèi)沿濃度較高，而到第三個(gè)彎道處時(shí)，河道外沿的濃度又比較高。在繼續(xù)往下游流動(dòng)過程中，污染物和水流慢慢混合，直到密度達(dá)到混合的均勻的狀態(tài)。

5.4不同彎曲河道橫斷面污染物分布比較分析

在河道斷面觀察的污染物分布情況只能顯示污染物在重力作用下的分布情況，要觀察污染物在河道彎曲處的分布情況則需要在Y軸方向也切剖面進(jìn)行觀察。在Y方向上選取Y=0m,-0.03m,-0.05m三個(gè)斷面進(jìn)行觀察。污染物的擴(kuò)散變化圖如下所示。

圖5.4a(10)Y=0m

圖5.4a(35)Y=0m

圖5.4a(70)Y=0m

圖5.4b(10)Y=-0.3m

圖5.4b(35)Y=-0.3m

圖5.4b(70)Y=-0.3m

圖5.4c(10)Y=-0.5m

圖5.4c(35)Y=-0.5m

圖5.4c(70)Y=-0.5m

污染物在三種不同彎曲度的河道橫向斷面的分布情況如圖5.4a-5.4c所示。當(dāng)污染物進(jìn)入河道之后，因?yàn)槠涿芏缺人?，?dāng)受到重力作用時(shí)，會(huì)在向下游流動(dòng)的過程中顯示出坍塌狀地由中央向兩邊底部擴(kuò)散，在繼續(xù)向下游流動(dòng)的過程中，污染物顯示出濃度更加向中間集中。當(dāng)?shù)竭_(dá)河道彎曲處時(shí)，在10度彎曲河道中，污染物由河底慢慢擴(kuò)散到河流表面，在彎道處污染物分布比較均勻；在35和70度彎曲河道中，在河道彎曲處，污染物集中聚集在河道的一側(cè)，在河道中水流濃度分界比較明顯，如圖5.4b和圖5.4c所示。

5.4不同彎曲河道縱斷面彎道處污染物分布比較分析

三種彎曲度河道的轉(zhuǎn)彎處在X方向分別在X=60m，80m和100m處，在彎道處會(huì)發(fā)生水流速度的突變，在彎道處會(huì)產(chǎn)生死水或回水區(qū)，這也會(huì)影響污染物在河流彎道處的分布情況。以下比較三個(gè)不同彎曲度的河流在河道轉(zhuǎn)彎處的斷面水流矢量圖如下所示。

5.4a(10)10度彎曲河道第一個(gè)彎道處X=60m

5.4a(35)35度彎曲河道第一個(gè)彎道處X=60m

6結(jié)論及分析

5.4a(70)35度彎曲河道第一個(gè)彎道處X=60m

5.4b(10)10度彎曲河道第二個(gè)彎道處X=80m

5.4b(35)35度彎曲河道第二個(gè)彎道處X=80m

5.4b(70)70度彎曲河道第二個(gè)彎道處X=80m

5.4c(10)10度彎曲河道第三個(gè)彎道處X=100m

5.4c(35)35度彎曲河道第三個(gè)彎道處X=100m

5.4c(70)70度彎曲河道第三個(gè)彎道處X=100m

從三個(gè)河道轉(zhuǎn)彎處斷面的速度矢量圖可以清楚地看出水流速度在彎道處變化。當(dāng)彎道比較大時(shí)，會(huì)清楚地看出在彎道處有回水的情況出現(xiàn)，這一區(qū)域會(huì)阻礙水流的流通速度，這對(duì)污染物在彎道處的分布會(huì)有很大影響。

6污染物模擬結(jié)果分析比較

6.1污染物模擬結(jié)果總結(jié)

本課題是在基于不可壓縮流體的RANS方程和湍流k-ε模型建立的關(guān)于河道彎曲度對(duì)污染物分布影響的二維和三維的模擬，通過模擬效果圖我們可以清晰的看到河道不同的彎曲度對(duì)污染物的分布有著很大的影響。由于河道的彎曲會(huì)帶來水流速度的變化，污染物的擴(kuò)散速率會(huì)在往下游流動(dòng)的過程中隨著流速的變化而發(fā)生變化。

河道彎曲度也會(huì)對(duì)污染物的分布產(chǎn)生影響。由二維速度模擬圖中可以清晰地看見污染物在河道轉(zhuǎn)彎處的速度的變化。在河道轉(zhuǎn)彎處的一邊，速度會(huì)因河道的彎曲而變大，而在它的對(duì)岸，水流速度會(huì)變小，同時(shí)產(chǎn)生回水區(qū)或死水區(qū)，污染物會(huì)先向水流速度較小的一側(cè)