环境水力学ppt课件.ppt

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1、环境水力学第四章剪切流的离散例题7：已知矩形渠道，底宽B＝10m，水深h=2m，糙率n=0.02，断面平均流速u=1m/s。求=?解：利用谢才公式表观分散系数第四章剪切流的离散一、污染物进入河流的混合过程二、河流中的紊动扩散系数三、河流中的二维混合四、横向浓度分布计算第五节天然河流中的分散和扩散一、污染物进入河流的混合过程污染物进入河流的混合过程可分为三个阶段第一阶段：从排出口或释放点到污染物在水深方向充分混合，称为竖向混合。第二阶段：横向扩散至整个过流断面；第三阶段：横断面上开始充分混合以

2、后的区域。第五节天然河流中的分散和扩散第一阶段污染物在随流向下游迁移过程中，同时在水深方向和河宽方向扩散。这个阶段的混合过程比较复杂，与污水排出时的初始动量和浮力及排出口的位置等有关。——竖向混合第五节天然河流中的分散和扩散实际应用对于浮力为中性、非射流排放的情况，竖向混合的长度与水深是成正比的，大致为排放处水深的几十倍到一百倍。其距离相对较短。第二阶段横向扩散至整个过流断面污染物除了在水流方向输移外，在河宽方向继续作横向扩散。横向混合所需的长度要比竖向混合所需的长得多。通常需要几公里，几十公里

3、，对于大河甚至要上百公里。第三阶段横断面上开始充分混合以后的区域。污染物主要在作随流输移。这个阶段中，河流某断面上各点水质的浓度偏差远比各横断面间的断面平均浓度偏差小。说明第一阶段和第二阶段称为混合区，混合区一般应用三维扩散方程求解。当求解第二阶段的浓度分布规律时，可用二维扩散方程简化求解。第三阶段则可以简化为一维问题求解。一般离排污口的混合距离L大于下式计算值时，此后的区域可作为第三阶段。式中：B是河流平均宽度；u是河流平均流速；　H是平均水深；u*是摩阻流速，　I是河流水力坡降。判别准则二、

4、河流中的紊动扩散系数紊动扩散系数可表示为纵向横向垂向式中：α称为无量纲紊动扩散系数。雷诺假设：紊流脉动所引起的动量、质量、热量掺混交换作用是相似的。在讨论示踪质的混合问题时，认为质量交换系数和动量交换系数完全一样。动量转换系数层流下紊流下垂向紊动扩散系数以二维明渠为例二维明渠的切应力在垂向呈直线分布，垂向任一点y处的切应力τ二维明渠垂向流速分布渠底切应力理论推导可见，Ey在垂线上呈二次曲线分布，这已被Tobson和Sayre(1970)实验所证实。于是：结果可见，垂向紊动扩散系数Ey理论上与水深

5、h成正比，与摩阻流速成正比。取κ＝0.4,令则有河流横向紊动扩散系数Ez的规律目前还不清楚。费休(Fischer)统计前人实验后建议：矩形断面明渠河道弯曲和两岸不规则横向紊动扩散系数实验结论Elder(1959)在顺直的实用的灌溉渠道中测得横向紊动扩散系数为Rischer(1973)也在此类灌溉渠道中量得与上式相同的结果，但他指出，由于水流主泓线的摆动会使横向紊动扩散系数增大。Sayre等人用聚乙烯质点在水面上进行观察，发现纵向紊动扩散系数约为横向紊动扩散系数的三倍。实用上，考虑纵向流速在横向和

6、垂向上分布不均匀而产生的纵向随流离散远比纵向紊动扩散来得大；同时这两种作用是混在一起出现，难以将两者区分开，所以常把纵向紊动扩散加以忽略，而将注意力放在研究纵向随流离散及其系数上。纵向紊动扩散系数三、河流中的二维混合混合过程的第二个阶段，是一个十分重要的混合区域，这个阶段污染物在垂向上均匀分布，污染物的混合只在横向和纵向进行。二维混合方程直角坐标系下二维混合方程为式中：c为垂线平均浓度；u，w为纵向和横向断面平均流速；Mx，Mz分别为纵向和横向混合系数。上式中,其中,纵向紊动扩散系数在垂线上的平

7、均值；纵向分散系数。其中，　　横向紊动扩散系数在垂线上的平均值；横向分散系数。四、横向浓度分布计算充分混合长度LM．源在中心源在岸边任意位置排放扩散带宽度定义1定义2四、横向浓度分布计算充分混合长度指断面内最大浓度或最小浓度与断面平均浓度之差占断面平均浓度小于5％，即充分混合断面充分混合长度达到充分混合的距离LM式中：u—断面平均流速B－河宽Ez－横向紊动扩散系数XVmBLMLB混合均匀源在中心中心线上的浓度分布岸边的浓度分布其中：浓度分布图作出浓度分布图x’中心线上岸边线上O1.00.1达到充

8、分混合的距离LM宽度2B，源强m的中心排放等价于宽度B，源强m/2的岸边排放。VmBB2BLM一级反射源一级反射源2m2m源在岸边两岸反射稳态情形源在任意位置排放如何求解充分混合长度呢？XVm扩散带宽度定义1：扩散带内污染物质占整个断面总质量为95％的宽度。定义2：污染带边缘浓度是断面最大浓度的5％时所占有的宽度为污染带宽度。2岸边扩散带岸边排放连续源112扩散宽度根据定义1，当浓度是高斯分布的情况下，可用标准差来估计扩散范围，根据性质，在的区间，占总质量68.3%；在的区间，占总质量95.4%