環(huán)境流體力學(xué)

1、,150469石坤,Importance of Dispersion in Network Water Quality Modeling,出版物名稱：Impacts of Global Climate Change,頁(yè)碼：1~12,作者： Tzatchkov, Velitchko; Buchberger, Steven G; Li, Zhiwei,語(yǔ)言：English,時(shí)間：2005,一、研究背景,水傳輸

2、過程中由于物理、化學(xué)、生物過程水質(zhì)會(huì)惡化。常常用一位平流反應(yīng)模型來模擬水質(zhì)惡化，這種模型首飾盒易湍流流動(dòng)為主的管道。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。,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)散作用在層流區(qū)域是一個(gè)重要的因素。,Lee通過解析方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無因次群 時(shí)，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定層流流動(dòng)中擴(kuò)散

3、作用都重要。（K是一階衰減系數(shù)，E是縱向彌散系數(shù)，U是平均流速）,二、方法,一維平流反應(yīng)模型: 其中，C（x，t）為在距離x時(shí)間t的橫截面的平均濃度。,確認(rèn)擴(kuò)散過程后，應(yīng)用一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模型建模：,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)的擴(kuò)散作用，E

4、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)的二維平流擴(kuò)散反應(yīng)來替代一維平流擴(kuò)散反應(yīng)模擬溶質(zhì)傳輸：,在此，D是溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，a是管半徑，r是管中心的徑向位置,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)過程影響。物理過程可能受到像溶質(zhì)源剖面、管徑和管流類型等因素的影響?；瘜W(xué)過程可能由像溶質(zhì)濃度和反應(yīng)速率系數(shù)這些因素所決定。設(shè)計(jì)案例研究來驗(yàn)證在管道溶質(zhì)團(tuán)擴(kuò)散過程中這些因素的影響。研究因素：溶質(zhì)源剖

5、面、溶質(zhì)衰減系數(shù)、管道尺寸、管流類型,四種類型的溶質(zhì)源剖面類型,1、溶質(zhì)源剖面類型,結(jié)果,分步式注入,線性增長(zhǎng)注入,瞬時(shí)注入,正弦注入,(1)對(duì)于分步式注入C（0，t）=10mg/l,當(dāng)x﹤Ut時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化C（x，t）=10mg/l，有 ，二階導(dǎo)數(shù)為零，擴(kuò)散作用可以忽略。,(2)對(duì)于線性增加注入c（0,t）=c1+c2t，當(dāng)x﹤Ut 時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變

6、化為C（x，t）=c1+c2(t-x/u)，有 ，二階導(dǎo)數(shù)為零，擴(kuò)散作用可以忽略。,(3)對(duì)于瞬時(shí)注入C（0，0）=10mg/l，當(dāng)x=Ut時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布為C（x，t）=10mg/l， 和 不存在不連續(xù)的濃度和距離函數(shù)，擴(kuò)散作用 決定溶質(zhì)傳輸。,(4)對(duì)于正弦注入

7、c（0,t）=c3+c4sin[2π（t-x/u）/Tp], 當(dāng)x﹤Ut時(shí)溶質(zhì)濃度空間分布變化為c（x,t）=c3+c4sin[2π（t-x/u）/Tp]，有：,擴(kuò)散作用決定溶質(zhì)傳輸,2、管道尺寸對(duì)于溶質(zhì)擴(kuò)散的影響,（a）T的變化,（b）β（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,圖5a和5b表明管徑對(duì)于無因次時(shí)間T的影響及其函數(shù)。在時(shí)間T隨著管徑的增加T和β（t）迅速降低。

8、然而，泰勒分散系數(shù)和半徑平方成正比。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。,因此，溶質(zhì)團(tuán)在大管道比在小管道擴(kuò)散得好。圖5d表明了基于相同初始濃度下2D-ADR模型12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2列舉了12小時(shí)后關(guān)于擴(kuò)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)間平均擴(kuò)散系數(shù)隨著管徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。,3、衰減常數(shù)對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)

9、散影響,（a）k=6.0x10-6s-1,（b） k=6.0x10-5s-1,圖6a（k=6.0x10-6s-1）和6b（k=6.0x10-5s-1）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。可以看出，1D-AR模型結(jié)果和2D-ARD 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)的增加而減少。,4、不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)于溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊?（a）穩(wěn)定流動(dòng),（b）由20個(gè)

10、起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) [Δt=60sec，U=1cm/s],（c）由10個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) [Δt=60sec，U=1cm/s],（d）由10個(gè)起始點(diǎn)轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定流動(dòng) [Δt=300sec，U=1cm/s],（a）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

11、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)散沒有表現(xiàn)出明顯的影響。,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。隨著反應(yīng)速率系數(shù)的增加，擴(kuò)散作用的重要性降低。4、從穩(wěn)定流動(dòng)到