环境流体力学概论

环境流体力学环境流体力学是环境类各专业的一门主要基础课,同时又是一门实用性强的技术基础科学。

实践证明理论联系实际是学习环境流体力学行之有效的学习方法,在这方面水力学实验(实训)起着不可替代的重要作用。

如水力计算中应用较广泛的谢才公式、水跃长度计算公式等等,完全是建立在大量实验研究基础上而产生的经验公式。

在现代水力学的研究和发展中,水力学理论分析,数值计算和实验研究二者互为补充、相互促进,形成研究水力学的二个重要方面。

在众多解决环境问题的工作中都会涉及到流体流动的问题。

广义来说，环境流体力学包括研究所有和环境有关的流体运动的知识；但从狭义来说，则其中重要而普遍的部分，即污染物质宰各种水域和大气中扩散与输移的规律为主要内容。

由于流体运动所导致的对含有物质的扩散，输移作用总占重要地位而需要先行分析清楚，这在排放口近区主要是射流运动性质，在远区则属随流扩散性质。

一般研究常从简单情况出发，先不考虑污染物质的存在对流动的影响，即把它作为一种标志物质即示踪物质来分析，而将污染物质的特性部分另行专门处理。

由于紊流和扩散的密切关系，以及对环境流动已有不少引用较精确的紊流模型进行分析，故首先介绍基础流体力学和水力学课程很少涉及的紊流基础知识，然后介绍扩散理论，剪切流中的离散，紊动射流（包括浮力羽流和浮射流）分层流以及地下水中弥散等方面较专门的基础理论和分析方法，以为分析各种环境流体域中物质的扩散，混合与输移问题的基础。

一、紊流脉动的能量方程： 从紊流的总能量方程：_____2''111()()()()()222j j i i i i i j i i i j j j j i j i j j u u u u u q p p u u u u u u u t t x x x x x x x x γγρρ--------∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+=-+++-+-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''2'()()(3.21)j j i i i j j i i i j j j j i j i ju u u u u u u u u q u x x x x x x x x γγ-----∂∂∂∂∂∂∂∂-++-+∂∂∂∂∂∂∂∂ 式中2'''2'2'2123i i q u u u u u ==++ 中减去时均流动部分的能量方程（3.22）____()()()()()()22j j j i i i i i i i i j i j i j i j j j j j i j i j u u u u u u u u u u p u u u u u u u t x x x x x x x x x γγρ--------------∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂++=--+-⋅++-+∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂即得到紊流脉动部分的能量方程如下：_____'''''222'1()()()(3.23)222j j j i i i i j i j i j j j j j i j i j u u u u u u u q q p q u u u u t x x x x x x x x x γγρ---------∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+=-+-++-+∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂上式各项都是对单位质量流体在单位时间内的变化量，其物理意义如下：（1）_22122j ju q q t x --∂∂+∂∂紊动动能的变化，包括当地变化和时均流产生的迁移变化； （2）2()2j j p q u x ρ--∂-+∂紊动对总紊动机械能的扩散，或解释为流体的紊动总动压22p q ρ-+所做的功； （3）i i j ju u u x ---∂-∂紊动应力对流体在时均流中的变形所做的功； （4）__'''()j i i j j iu u u x x x γ-∂∂∂+∂∂∂紊动的粘性切应力对流体所做的功 （5）__'''()j i i j i j u u u x x x γ-∂∂∂+∂∂∂紊动动能的粘性损耗（通过粘性切应力及紊动变形做功所耗损。

环境流体力学第三章（1）第4章剪切流中的离散4.1一维纵向离散方程4.2圆管中的离散4.3宽矩形断面明渠流中的扩散4.4非定常剪切流中的离散4.5二维流中的离散4.6天然河流中的离散4.7河流污染带计算剪切流:沿流线法线方向具有速度梯度的流动。

离散或弥散:剪切流中，过流断面上流速分布不均而引起的流体中含有物质随流散开的传输现象。

自然环境中各种真实的流动都是剪切流。

不考虑断面速度分布：①污染物在层流中的扩散=分子扩散+移流扩散②污染物在紊流中的扩散=移流扩散+紊动扩散考虑断面速度分布（剪切流）：存在分子扩散、移流扩散、剪切离散。

离散实际是移流运动的结果。

剪切流中的离散问题，原则上可用移流扩散方程求解。

离散问题常将三维剪切流简化为一维流动或二维流动。

4.1一维纵向移流离散方程4.1一维纵向移流离散方程忽略过流断面上各点流动参量之间的差异，用断面上的平均值代表过流断面上各点的值，纵向不同断面有不同的平均值。

断面平均流速V断面上扩散质平均浓度Ca建立以断面平均值表达的扩散方程，紊动和过流断面上速度、浓度分布不均对含有物输送的影响则通过方程中的脉动值和偏离值反映。

4.1一维纵向移流离散方程4.1.1断面平均值平均流速平均浓度流速分布与平均流速偏离值浓度分布与平均浓度偏离值时均值断面平均值（4.1）瞬时值（4.2）偏离值脉动值断面平均值性质：单位时间通过过流断面单位面积的扩散质通量的时均值：（4.3）扩散质通量的断面平均值（4.4）4.1一维纵向移流离散方程4.1.2纵向移流离散方程dt时段内流入控制体的流体质量流出控制体的流体质量质量守恒：流入和流出控制体的流体质量差等于控制体内增加的流体质量。

对不可压缩流体（4.5）——流体总质量衡算式4.1一维纵向移流离散方程dt时段内流入控制体的扩散质流出控制体的扩散质控制体内增加的扩散质量质量守恒：流入和流出控制体的扩散质差等于控制体内增加的扩散质量（4.6）——扩散质质量衡算式4.1一维纵向移流离散方程（4.4）（4.6）（4.5）（4.7）——一维纵向移流离散基本方程（4.8）与分子扩散相比拟：紊流扩散系数（4.9）纵向移流离散系数（4.10）——紊流一维纵向移流离散方程4.1一维纵向移流离散方程（4.10）【求解断面平均浓度】过流断面积A为常数（4.11）定义混合扩散系数：混合系数K和纵向离散系数DL与断面流速分布有关。

环境流体力学是流体力学的一个分支。

环境主要指水环境与大气环境。

主要任务是研究污染物质在水体或大气中的扩散或输移规律，如废水排放或废气排放。

环境流体力学又称污染流体力学。

主要目标是污染物排入水体或大气后，由于扩散或输移所造成的污染物浓度随空间和时间的变化规律。

主要方法是研究示踪物质（tracer）在水体或大气中的扩散或输移，不考虑由化学或生物等因素所产生的转化或降解作用。

示踪物质指在流体中扩散和输移时不发生化学反应或生化反应的物质，其存在不影响流场特性的改变。

河口污染问题➢入海河口地区人口稠密、工农业生产比较发达，排放污染物也较集中。

并且容易发生海水倒灌、河水漫滩。

➢入海河口是河流与海洋的过渡段，是河流与海洋两种动力相互作用相互消长的区域。

复杂的动力因素使河口的污染物迁移扩散较为复杂，具有明显的独特性。

湖泊富营养化问题突出➢湖泊与河流水文条件不同，湖水流动缓慢、蒸发量大、有相对稳定的水体。

➢湖泊污染来源广、途径多、种类多➢湖水稀释和输运污染物能力弱➢湖泊对污染物的生物降解、积累和转化能力强。

有些生物对污染物进行分解，从而有利于湖水净化。

而有些生物把毒性不强的无机物转化成毒性很强的有机物，并在食物链中传递浓缩，使污染危害加重。

热污染问题➢热污染是一种能量污染。

热电厂、核电站及冶炼等使用的冷却水是产生热污染的主要来源。

➢水温升高，会降低水中的溶解氧的含量，并且加速有机污染物的分解，增大耗氧作用，并使水体中某些毒物的毒性提高。

水温升高还破坏生态平衡的温度环境条件。

污染趋势➢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。

《环境流体力学》课程教学大纲课程中文名称（英文名称）：环境流体力学（Environmental Fluid Mechanics）课程代码：B03135课程类别：专业课程课程性质：必修课课程学时：48学时（理论48学时）学分：3学分适用专业：环境科学和工程专业，及相关环境类专业先修课程：《大学数学（二）》（已修偏微分方程内容）、《大学物理》，并最好先修《水文学》、《环境工程学》一、课程介绍《环境流体力学》课程是环境类各专业的一门主要专业基础课，是以理论性为主同时又是一门实用性强的技术基础科学，大多数院校作为研究生专业课程选修课，少数院校也作为环境工程专业本科高年级的选修课。

从学科角度来讲，该课程是一门综合水利学科与环境学科的课程，是水力学的延伸与发展，适应当前国家水体污染控制与治理的发展需求。

在众多解决环境问题的工作中都会涉及到流体流动的问题。

广义来说，环境流体力学包括研究所有和环境有关的流体运动的知识；但从狭义来说，则其中重要而普遍的部分，即污染物质在各种水域和大气中扩散与迁移的规律及其应用。

本课程系统介绍了环境流体力学的基本概念、基本理论和最新研究成果。

内容主要包括：环境水力学发展概况、水环境基本概念、迁移扩散理论、剪切流离散、射流、羽流、浮射流、水质模型、地下水污染模型、分层流、生态水力学等。

二、课程教学目的和任务通过本课程的学习，旨在使学生能系统地掌握环境流体力学的基本原理、基本方法，学会分析水流现象，揭示水流内在规律；并熟悉相关物理概念，能够熟练使用计算方法进行计算和建模，引导学生用计算机来完成计算；探求因混合、迁移而形成的污染物浓度随空间和时间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据，培养学生独立分析和解决环境工程问题的基本素质与创新能力。

三、课程学时分配、教学内容与教学基本要求四、教学方法与教学手段说明环境流体力学为专业基础课，属交叉学科，内容广泛，而学时有限，因此，贯彻“少而精”的原则，精选有代表性的、有广泛应用的、最基本的、较现代化的内容作为基本要求。