流体动力学总结Word文件下载.docx
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由支流向主干延伸
由城市向农村蔓延
由地表水向地下水渗透
由陆域向海域发展
水体污染的定义
进入水体的污染物的数量或浓度超过了水体的自净能力，使水和水体的物理、化学性质或生物群落组成发生改变，正常的生态系统和生态功能遭到破坏，从而降低了水体原有的使用价值，造成环境质量、资源质量和人群健康等方面的损失和威胁。
水体污染的机理
•
（1）物理作用：
水体中的污染物在水力和自身力量的作用下扩大在水中所占的空间，随着分布范围扩大，污染物在水中的浓度降低。
•例如稀释、扩散、迁移、沉降、挥发和悬浮等
•
（2）化学与物理化学作用：
污染物质在随水流运动的过程中多以离子和分子状态存在，并发生一系列化学反应，改变污染物质的存在形态，污染物质发生迁移转化。
•（3）生物与生物化学作用：
污染物质在水中受到生物的生理、生化作用，通过食物链传递发生分解、转化和富集，使水质净化或水质恶化。
水体污染的特点
•溶解氧下降
•水生生态系统改变
•毒性增强
水体污染的危害
•影响水生生物和人体健康
•影响渔业和工、农业生产
•损坏旅游资源
•加剧水资源短缺，并引发其他社会问题
研究内容
●传统水力学主要是研究水流自身运动规律
●环境水力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律，是传统水力学的一种发展，又属于流体力学的范畴
●内容涉及水力学、环境学、水化学、水生物学等，是一门综合性很强的交叉学科
水力学研究洁净水流的运动，环境水力学研究污染物质在水体中的扩散输移规律。
广义的环境水力学研究一切和水体有关的水力学问题，包括水污染、水生态、水土保持、河道变形以及水利工程对环境的影响等等。
污染物质进入水体后，发生溶解、扩散或由于水流运动发生随流输移，而扩展其影响范围，无论对于哪一类环境问题，了解污染物质的扩散、输移规律是研究水环境问题的基础。
狭义的环境水力学主要研究当污染物投放于纳污水域中，由于扩散、输移所造成的污染物浓度随空间和时间的变化规律，为水质规划、环境管理和水资源开发利用提供科学依据。
环境水力学：
研究水中所含物质的运动
传统水力学：
研究水流自身的运动
示踪物质是指在水体内扩散和输移时不发生化学和生化反应的物质，并且它的存在不影响流动特性。
研究示踪物质的扩散输移规律，是研究污染物扩散输移问题的一种简化模型。
本课程的研究对象：
示踪物质在水体中的扩散输移规律，这是研究水环境问题的基础。
研究方法
•理论分析方法
理论分析方法揭示了流体和污染物运动的物理本质和各物理量之间的内在联系，具有重要的指导意义和普遍适用性，但对于复杂流动问题，难以直接求得解析解，因此要借助其他研究方法。
•实验模拟方法
现场模拟和实验室模拟，是获得感性认识的基本途径，是发现、发展、检验理论和科技成果的实践基础，缺点是成本高、量测方法受限，模型实验结果缺乏通用性。
•数值模拟方法
数值模拟方法通用性好，但是必须以理论分析方法获得的数学模型为基础，其结果需要实验和实践的检验。
根据流体力学和污染物迁移转化规律，建立数学模型，在一定的边界条件下和初始条件下，对水流运动和污染物变化进行数值分析。
三种研究方法相辅相成，互为补充
物质在水体内迁移的主要方式
1分子扩散
分子扩散指分子随机运动（布朗运动）引起物质迁移。
分子扩散的速度与物质的性质、物质的浓度梯度以及温度或压力等外界因素有关。
在大尺度的环境中（实际流动中，地下水流动除外），与其他原因相比，分子扩散所引起的物质迁移通常忽略不计。
分子扩散的费克定律，分子扩散方程
两种不同物质通过它们的分子运动而互相渗透的现象称为分子扩散。
物质的分子扩散可以借助四种推动力发生：
浓度梯度、温度梯度、压力梯度或其他作用力梯度。
由这些不同原因而引起的扩散分别称为：
浓度扩散、温度扩散、压力扩散和强制扩散。
实际问题中，污染物扩散过程中分子扩散所占的比重通常很小，就分子扩散本身而言，除了微观的化学与生物反应外，在环境问题中并没有直接的重要意义。
但是在许多情况下，环境中的污染物扩散与分子扩散有类似之处，其研究可借用分子扩散的基本思想
2随流输移
当流体在流动状态下，污染物可随流体质点的运动一起移至新的位置。
移流扩散方程
如果环境流体是流动的，示踪质除因分子扩散而发生迁移外，还会随流体质点一起流动而产生迁移，这种随流迁移现象称为移流输送（或随流传输）。
因此在流动的流体中，示踪质浓度的变化要把分子扩散和随流传输两部分都考虑在内。
3紊动扩散
流体作紊流流动时，随机的紊动所引起的污染物质的扩散，其强弱与水流的漩涡运动有关。
4剪切流离散
在考虑流体中污染物迁移时，如果将随流输移按平均流速的均匀流计算，由于实际上剪切流中各点流速与平均流速不同，将会引起附加的物质分散，称为离散。
剪切流指垂直于流动方向的过流断面上存在速度梯度的流动
什么叫剪切流？
过流断面上具有速度梯度的流动称为剪切流动。
层流为典型的剪切流动。
除各项均匀同性紊流外，通常紊流亦属剪切流，过流断面上时均流速具有梯度。
因此，实际中的管流和明渠流均为剪切流。
什么叫剪切流的离散？
在研究管流和明渠流的混合与扩散问题时，通常简化成一维流动处理，而计算扩散时所用到的流速为断面平均值。
由于断面平均速度与各点真实流速的差异，造成了真实扩散量与按平均速度计算的扩散量不相等，这个不相等的偏差就是所谓的剪切流离散。
5对流扩散
由于温度差或密度分层不稳定性所引起的铅垂方向对流运动所伴随的污染物迁移称为对流扩散
污染源
按时间分布：
瞬时源、时间连续源；
按空间形式：
点源、线源、面源和体源；
按扩散方向：
一维扩散源、二维扩散源和三维扩散源。
有机物、无机物、重金属、放射性物质、细菌、热污染
欧拉连续介质假设（1755年）：
把流体当作是由密集质点构成的、内部无间隙的连续体。
引入流体质点作为流体力学研究的基本单元，流体质点是一个“宏观小，微观大”的流体单元。
表征流体性质、描述流体运动的各个物理量如速度、压强、密度等在流动空间的每一点，都具有确定的有限数值，而且是空间坐标和时间坐标的连续函数。
这样就能用数学分析方法来研究流体运动。
连续介质是从宏观运动的观点出发而提出的理论模型，在此基础上建立起来的流体力学是一种宏观科学。
一方面，在流体力学中不考虑流体内部的微观结构和微观运动；
另一方面，对流体的微观运动，有关连续介质的概念和定律都不使用。
海姆霍兹速度分解定理的意义
将微团运动分解为平移、旋转和变形（应变率），为建立应应变率关系式奠定了基础，进而可导出液体运动的微分方程。
运动流体的应力
•静止流体（无论黏性流体还是无黏性流体）中，不存在切应力，只有法向应力（静压强），且任一点静压强的大小与作用面方位无关。
•无黏性流体运动时不出现剪应力，只有法向力（即压强），其大小与作用面方位无关。
•黏性流体的应力状态和无黏性流体不同，由于黏性作用，运动时出现剪应力，任一点应力的大小，与作用面方位有关
为了建立牛顿流体应力与应变率的关系即流体变形律或本构方程，斯托克斯在1845年提出三项假设（斯托克斯假定）：
（1）流体是连续的，且应力分量是应变率分量的线性函数；
（2）流体是各向同性的，其性质与方向无关，因此流体变形律的表达式与坐标系的选择无关；
（3）当应变率为零（即流体静止时），变形律必须退化为流体静力条件。
以上称为斯托克斯假定（1845年），是讨论牛顿流体应力与应变率的关系（即本构方程）的基础。
环境流体力学的迁移扩散理论中有以下假定
流体中含有的污染物是示踪质，在扩散和输移过程中不发生化学或生化反应，且其存在不改变流体质点的流动特性，即不影响流动。
整个运动过程中，流体质点带有的示踪质在数量上是保持不变的，流体质点与质点之间不发生示踪质的转移，示踪质的扩散完全是由于带有示踪质的流体发生掺混的结果
因此对于不可压缩流体，带示踪质的流体质点的总体积在扩散过程中保持不变，其占据的空间范围即其轮廓的形态则是随时间变化的。
注：
由于扩散质的存在而对流动产生影响的情况在实际中是存在的，如热污染的散布、海水和淡水的掺混等问题需要考虑流体密度变化的影响，更复杂的还牵涉到生化作用所产生物质的发生与衰减。
基本方程组的求解方法概述
基本方程组由物质扩散方程和流体运动的基本方程组（连续方程和运动方程）组成。
严格来说，物质扩散方程应和流体运动的基本方程组（连续方程和运动方程）耦合求解包含浓度的所有基本量。
在示踪质假定下，因为示踪质的存在不影响流场特性，因此可以将流场和浓度场分开求解，先由流动基本方程组（连续方程和运动方程）求出流场，然后在已知流速分布的条件下求解扩散方程。
本暂不讨论流动基本方程组（连续方程和运动方程）的求解问题，仅讨论在已知流速分布的条件下扩散方程的求解。
扩散方程的求解途径
①在静止和均匀流动中的扩散
对于静止或均匀流动中的扩散问题，在一些简单情况下，可以求得解析解。
②剪切流中的一维纵向离散
将三维的扩散方程通过积分简化成一维，采用过流断面上的平均流速和平均浓度来计算，求得的解是断面平均浓度沿纵向的分布，这方面工作已有较多研究成果，是目前解决实际问题的重要途径。
③剪切流中的二维离散
将三维的扩散方程通过积分简化成二维，采用垂线上的平均流速和平均浓度来计算，求得的解释垂线平均浓度在平面上的分布。
对于河流、湖泊、水库中的污染物扩散，由于受岸边建筑物和地形的影响，一维简化不能满足计算要求，需按二维离散分析。
④数值解法
二维以上的计算通常都采用数值解法，针对通用微分方程编制计算程序进行求解，常用有限差分法和有限元法。
⑤物理模型
复杂边界条件下的扩散问题常采用缩尺物理模型进行研究，通过实验量测流速和污染物浓度分布情况。
⑥现场观测
在天然流场中进行污染物浓度观测，得到的资料最真实可靠。
但是受条件限制，一般难以获得全面系统的资料。
比较常用的方法是利用现场观测得到的资料来确定扩散方程中的经验系数，然后利用数学方法对扩散方程进行求解。
4-1河流中的基本水质问题
（1）污染物与河水的混合：
污水排入河流之后，从污水排放口到污染物在河流横断面上达到均匀分布，通常要经历竖向混合与横向混合两个阶段。
由于河流的深度通常要比其宽度小很多，污染物进入河流后，在比较短的距离内就达到了竖向的均匀分布，亦即完成竖向混合过程。
完成竖向混合所需距离大约是水深的数倍至数十倍（粗略估计）。
在竖向混合阶段，河流中发生的物理作用十分复杂，它涉及到污水与河水之间的质量交换、热量交换与动量交换等问题。
在竖向混合阶段（同时）也在发生横向的混合作用。
•从污染物达到竖向均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布的过程称为横向混合阶段（粗略估计）。
•在直线均匀河道中，横向混合的主要水动力是横向弥散作用；
在弯道中，由于水流形成的横向环流，大大加速了横向混合的进程。
完成横向混合所需的距离要比竖向混合大得多。
初始稀释阶段是一种三维混合过程，其混合情况与污水排出时的初始动量、浮力以及排污口的位置和型式等因素密切相关。
射流与喷流
污水排出的速度大于河流速度，则低流速的河水会被卷吸到高流速的污水中，从而加强污水的初始稀释，称为射流。
如果污水排出的流速较小，没有这种卷吸作用，称为喷流
浮力射流与纯射流
如果污水的密度比河水小，污水受浮力作用而上升，称为浮力射流；
若污水的密度比河水大，污水受负浮力作用而下沉，称为负浮力射流。
如果污水密度与河水密度相差不大，可以不考虑浮力的影响，则称为纯射流。
表面排放与淹没排放
实际排污工程中污水浮射流较为常见，在初始稀释过程中，射流的动量和浮力的作用将逐渐减弱，在达到垂向均匀混合之后，在以后的混合过程中就可以不考虑动量和浮力的作用。
总结：
第一阶段（初始稀释阶段）发生在排污口附近水域，称为近区。
近区问题的处理比较复杂，需要把排污口形式与布置、污水出流性质以及接受水域的特性结合起来考虑，一般要按三维问题处理。
第二阶段（污染带扩展阶段）和第三阶段（向下游扩散阶段）发生在离排污口较远的区域，称为远区。
第二阶段一般按二维扩散问题处理，第三阶段按一维纵向分散问题处理。
三、污染带的宽度
污染带宽度的定义
从理论上讲，根据浓度分布函数，横向扩散的范围可延
伸至无穷远，不存在所谓宽度的概念。
但从实际的角度来说，横向扩散到一定距离后，其浓度
与断面最大浓度相比小到可以忽略不计，或者说对实际所研
究的问题不发生较大的偏差时，就可以近似认为横向扩散范
围到此为止
一般情况下，当边远点的浓度为该断面最大浓度的5%时，该点即被认为污染带的边界点。
定义污染带边缘浓度是该断面最大浓度的5%时所占有的宽度称为污染带宽度。
C（x，b）=0.05Cmax
1.不规则河道
所谓不规则河道，主要指河道断面形状沿纵向变化大，河道具有较大的弯曲。
2.不规则河道的水流特点
水流非均匀性显著，典型的水流现象：
弯道二次流现象
什么叫射流？
射流指流体从各种排泄口（孔口或喷嘴）喷出，流入周围的另一种和同一种流体的流动。
射流的特点
有压管道流动边界全部是固体，明渠流动除自由水面外，其他大部分周界也是固体。
大多数类型的射流（除附壁射流以外）的全部周界都是流体，使得射流具有不受固体边界约束的很大的自由度。
环境工程中排污、排热、排气的排放口近区流动属于射流
射流的分类
（1）按流动形态分
层流射流和紊动射流
工程中的射流问题绝大多数都是紊动射流问题
（2）按射流周围的环境条件分类
①从环境固体边界的情况分
自由射流：
射流射入无限空间时，称为自由射流
非自由射流：
射流射入有限空间时，称为非自由射流或有限空间射流。
若射流的部分边界贴附在固体边界上，称为附壁射流。
若射流沿下游水体的自由表面射出，称为表面射流。
②从周围流体的性质分
淹没射流：
射入同种性质流体之内的称为淹没射流。
非淹没射流：
射入不同性质流体之内的为非淹没射流（如大气中的水射流）
（3）按射流的原动力分
射流进入环境水体后将继续运动与扩散，按照驱使其进一步运动和扩散的动力划分：
动量射流：
射流的出流速度较高，依靠岀射的初始动量维持自身在环境水体中继续运动，初始动量对流动起支配作用，称为动量射流，也叫纯射流，或简称射流。
浮力羽流：
射流初始岀射动量很小，进入环境水体后依靠浮力作用促使其进一步运动和扩散，浮力对流动起支配作用，称为浮力羽流，简称羽流。
浮射流：
兼受动量和浮力两种作用而运动的射流。
如污水排入密度较大的河口或港湾海水中形成的污水射流、火电站和核电站的冷却水排入河流和湖池中形成的热水射流。
紊流概述
流动存在层流和紊流两种形态（雷诺，1895），层流中各层流体互不掺混，质点做规则的沿光滑路线的运动；
紊流中各层流体互相掺混，质点运动很不规则。
紊流运动非常复杂，但自然界和工程中的流动大多数是紊流，污染物的扩散迁移也与紊动密切相关，因此有必要对其有所了解。
紊流的发生过程可以用流动稳定性理论加以解释：
紊流的主要特征：
不规则性、扩散性、三维有涡性、耗散性
因此紊流是由各种不同尺度的大小涡旋组合而成的复杂运动。
正因为这样，所以能起扩散作用和和显示出流动的极不规则性。
紊流的类型：
各向同性均匀紊流——为了便于理论探讨的一个假想模型
剪切紊流——实际中的紊流多属于这类。
剪切紊流包括自由紊流和壁面紊流。
自由紊流的流速梯度由简断面引起，紊动发展不受边壁限制；
壁面紊流流速梯度由固体边壁引起。
紊动扩散——紊流扩散方程
一、概述
分子扩散方程表达的是静止流体中示踪质的迁移规律；
移流扩散方程表达的是层流情况下示踪质的迁移规律（含分子扩散）；
而实际问题中的流动通常是紊流，需要研究紊动扩散。
紊动扩散指紊流脉动引起的物质传递。
实践证明，紊动引起的物质扩散远大于分子扩散，因此在
●紊流条件下通常忽略分子扩散的作用。
在紊动扩散研究中，有拉格朗日法和欧拉法之分。
实验证明，
拉格朗日法扩散方程形同分子扩散，只需将分子扩散系数D
换成紊动扩散系数E即可。
对紊动扩散系数的几点说明
分子扩散系数D是由物质特性决定的一个系数，而紊动扩散系数E和流场特性密切相关，主要取决于大尺度的涡旋运动。
对于不同的扩散质，如动量、能量、热量和各种含有物质，其扩散系数是否相同？
因为假定在扩散过程中，示踪质在质点之间没有任何转移和交换，在此假设下，不论哪种示踪质，扩散系数应该是相等的。
这种假说成为雷诺比拟。
实际上，不同示踪质的扩散系数是有一定差异的，与各种扩散质的特性有关。
按已有研究，认为热量和含有物浓度的扩散，其紊动扩散系数是一样的。
紊动射流的一般特性
1、紊动射流的形成，卷吸与混合作用
2、紊动射流的分区结构
3、断面流速分布的相似性（自保性）
在起始段的边界层混合区内，流速分布具有相似性。
流动环境中的射流也可观测到这种流速分布的相似性。
圆形断面射流也有类似性质，不再一一列举。
“相似性”是求解射流问题的重要基础。
4、射流边界沿直线扩展
5、等密度自由紊动射流中的动量守恒
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