涡旋理论发展及其在混凝过程中的应用.doc

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1、涡旋理论发展及其在混凝过程中的应用摘要：环境水力学是由环境科学与水力学互相渗透，互相融合而发展起来的一门新兴学科。近二十年来，随着社会的需要，环境水力学科发展的很快。本文首先介绍了环境水力学研究的现状、发展趋势和面临的问题，然后就环境水力学中的涡旋现象，根据水力旋流理论及絮凝动力学的微涡旋理论，对混凝机理的进行了初步的研究，同时对涡旋在混凝过程中的应用做了一个全面的综述，以期对高效混凝过程有一个更清晰的认识。关键词：涡旋理论混凝紊流模型1绪论　　环境水力学，是形成和建立不久的一门新的学科分支。它研究的对象既有水力学的问题，也包括环境问题。水力学作为水利科学的一个分支，已有悠久的历史

2、；而环境科学是近二三十年才发展起来的一门新兴科学，环境水力学正是在古老的水力学崭新的环境科学的结合点上生长起来的一门交叉学科。正是由于这样的交叉，使得环境水力学的理论中既继承了许多传统的内容，也不断地在发展着自己持有的理论基础，涉及到的内容有水力学或流体力学的基本理论，及环境科学的一般理论；还有属于本学科自身发展起来、不断充实的一些理论，如污染物在天然水体中的稀释扩散规律、天然净化机理，各种水体(海洋、河流、湖泊)中，各种排放条件下污染物的迁移、运动规律，同时也研究环境工程中的水力学问题，如沉淀池中水力学特性对沉淀效率的影响、过滤装置中水流的特性及对处理效率的影响等等[1，2]。下

3、面，将分别介绍环境水力学在环境方面的研究、应用情况。1.1环境水力学研究的现状[3]　　20世纪70年代以来，随着水环境问题研究的深入和相关学科及应用技术的发展，环境水力学无论在深度和广度上都取得了很大的进展。　　远区紊动扩散与离散的研究从对规则边界中的恒定流动向复杂流动和非恒定流动发展，如天然河流、山区河流、分汉河段[4]、交汇河段[5]、潮汐河段[6]、尾流[7]、分层流[8]等。　　与污染近区有关的射流理论由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展，如横流、分层流、浅水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。　　使时均流场与物质浓度场控制方程封

4、闭的紊流模型由简单模型向精细模型发展，如K-双方程紊流模型，基于重整化群RNG的K—双方程紊流模型，雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等。9　　水流-水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型发展；被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十个，模拟的变量由非生命物质如“三氧”(溶解氧、生物化学需氧及化学需氧)、“三氮”(氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮)等等向细菌、藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物发展；应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展；　　计算的时空网格数几何增长，地理信息系统开始在水质模型中应用。数字图像处理技术在环境水力学试验中的研究与应用，有

5、力地推动着环境水力学的发展[2]。1.2环境水力学研究的趋势[3]1.2.1研究对象由无生命组分进入有生命组分，并向生态水力学发展　　20世纪60年代以前，环境水力学仅限于研究水域中非生命物质的扩散、输移与转化规律，70年代以来，随着水体富营养化等生态问题的突出，其研究对象扩展到藻类、浮游动物、鱼类、底栖动物等水生生物。水流条件、边界条件、非生物组分与生物组分间的相互作用以及水生物组分间的食物链关系成为环境水力学研究的重要内容，污染动力学与生长动力学结合使环境水力学向着生态水力学发展。1.2.2结台“3S”，水流-水质模型的研究范围从单一局部水域向综合水域发展　　随着计算机和空间技

6、术的发展，RS与GPS技术已能够同时获取大量的不同分辨率多谱段的可见光、红外、微波辐射和测视雷达的数据，目前己与GIS结合进入一个能快速即时提供多种对地观测的具有整体性的动态资料，并对这些资料进行分析与处理的新时段。1.3环境水力学研究面临的问题[3]1.3.1“三水”转换的水质模拟　　“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文学、水力学及地下水动力学中从水量与水流的角度对“三水”的转化关系曾进行过研究，但尚未从水质的角度进行过研究。其实无论是从水量还是从水质来说，“三水”之间都存在着转化关系，目前的水质模拟中“三水”基本上是独立的，彼此间的影响只作为一种边界条件来体现，没有作

7、为一个相互影响的综合系统来考虑。为从源头治理水污染，需研究“三水”之间的水质转换关系，建立“三水”转换的水量—水质模型，为气、水、土和生态系统的统一管理提供技术支持。1.3.2挟沙水流的水质与生态模拟　　到目前为止，国内外的水质与生态模拟基本上是针对清水水域的．这主要体现在模拟需用的物质浓度是采用清水观测方法监测的。国内外普遍规定对挟沙的浑水需将水样过滤或澄清，用清水中的物质浓度作为观测浓度，该浓度值未计入泥沙中所含的物质量。在水质模拟中泥沙对水质的影响也只反映在水域