（环境工程专业论文）运动界面模拟技术及在环境分层流问题中的应用.pdf

摘要 自然环境水体中的分层流动通常是由温度，主动输运物质( 如盐度、泥沙等) 或者 它们的组合作用诱导产生的。由于各组分对水体密度的贡献以及其自身的扩散特性的差 异使得该类分层流动更为复杂。本文从两流体的角度，采用l e v e ls e t 方法追踪两流体 分层界面的运动，对每相流体分别求解，并考虑界面处两流体间的相互作用，模拟了污 水排海等分层流问题，详细阐述了海水入侵过程和机理。本文研究的主要成果包括： ( 1 ) 采用l e v e ls e t 方法追踪界面的时空变化。本文基于快速行进法和源点扫描法 的思想，提出了非结构同位网格下l e v e ls e t 的实现策略。并通过实例，对l e v e ls e t 法 与v o f 法作了比较分析。 ( 2 ) 界面附近网格点密度、扩散系数等物理参数处理，二维三维采用了不同的策略。 对二维情形，根据符号距离函数精确计算各网格单元的相体积分- 布，而后可计算网格单 元的密度和扩散系数；对三维情形，直接采用正弦函数光滑处理。对于界面物理量的扩 展采用一阶的i s o b a r i cf i xg h o s t 处理。 ( 3 ) 将密度方程和动量方程统一成一个积分方程，采用梯度重构策略，结合限制器， 改进了两流体的s i m p l e ( s i m p l e c ) 算法和人工压缩算法，建立了非结构网格下n s 方程的求解系统。改进了出口边界的处理策略，能有效地处理“无反射”出口边界问题。 对不同的密度比的两流体系统进行了验证分析。 ( 4 ) 建立了k f 紊流模型，壁面采用对数率壁函数处理技术。 ( 5 ) 从两流体角度对污水排海问题建立了二维和三维数学模型，详细探讨了污水排 海工程中海水入侵的机理。 关键词：非结构网格；l e v e ls e t , 两相流；紊流模型；分层流；人工压缩法；排海；盐 水楔 s 仃a f i f i o df l o w sa r eo f b i n d u c e db ys i n g l ec o m p o n e n t ( e g t e m p e r a t u r e , a c t i v es c a l a r s ) o r m u l t i - c o m p o n e n t s i nn a t u r a lw a t e rb o d y m u l t i - c o m p o n e n t sc a u s e dc o m p l i c a t e df l o w c h a r a c t e r i s t i c so f s t r a t i f i e df l o w sd u et ot h ed i f f e r e n c eo f t h e i ro v nd i f f u s i o na n dc o m p o n e n t s c o n t r i b u t i o nt ow a t e rd e n s i t y i nt h e 拼p 噶t h el e v e ls e tm e t h o di sa p p l i e dt ot r a c kt h e m o v i n gi n t e r f a c eb e t w c e nt w of l u i d sa n de v e r yp h a s ei sc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l yc o m b i n e dt h e i n t e r f a c e e f f e c t s f i n a l l y , s e w a g eo u t f a l lp r o b l e mi ss i m u l a t e db y2 d a n d3 ds y s t e mb a s e dt h e p a p e r , a n dt h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s mo f t h es a l i n ei n t r u s i o ni se ) 【p l a i n o d t h em a i nw o r k so f t h ep a p e ri n c l u d ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t o t r a c kt h em o v i n gi n t e r f a c e , t h el e v e ls e tm e t h o di sa p p l i e di nt h ep a p e r u n d e rt h e u n s t r u c t u r e dg r i d ss y s t e m , t h em e t h o di ss t u d e da n de s t a b l i s h e db a s e dt h ei d e ao ff a s t m a r c h i n gm e t h o da n ds o u r c ep o i n ts c a n n i n gm e t h o d , a n dt h e nt h el e v e ls e tm e t h o di s c o m p a r e dw i m t h ev o fm e t h o db a s e dag i v e ne x a m p l e ( 2 ) o nt h ep a r e m e t e r so ft h ec e l ln e a rt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h et w of l u i d s , s u c ha st h e d e n s i t ya n dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，e t c i nt h ep a p e r , t w od i f f e r e n tm e t h o d s i ss t u d i e d t ot h e2 d p r o b l e m , t h ev o l u m eo fp h a s ef l u i d sc a nb ec a l c u l a t e df r o ms i g nd i s t a n c ef u n c t i o n ，a n dt h e n t h ep a r e m e t e r sc a nb ea c q u i r e da l s o ；t ot h e3 dp r o b l e m ，t h ep a r e m e t e r sa r ed e a l e ds m o t h l y u s i n gs i n n s o i d f i n a l l y ，t h em e t h o do f i s o b a r i cf i xg h o s ti sa p p l i e dt oe x t e n dt h ev a r i a b l eo f t h ec e l ln e a rt h ei n t e r f a c e ( 3 ) i nt h ep a p e r , t h ed e n s i t y - e q u a t i o na n dm o m e n t u m - e q u a t i o na r eu n i f i e da sai n t e g r a l s t y l eb yt r a n s f o r m i n gt h em o m e n t u m - e q u a t i o n , a n dt h e nt h ee q u a t i o n sa r ed i s p e r s e du n d e r u n s t r u c t u r e d g r i d s w i t ht h eu s eo fr e c o n s t r u c t i o no fg r a d sa n d s u p e r b e e l i m i t e r s i m p l e ( s i m p l e c ) m e t h o da n da r t i f l c i a l ec o m p r e s s i b i l i t ym e t h o da r ei m p r o v e dt os o l v e t h ep r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n g t h ep r o b l e mo fo u t l e tb o u n d a r yi ss t u d i e di nt h ep a p e r , a n d s o m et e c h n i q u ea r ep u tf o r w a r dt od e a lt h ef l e eb o u n d a r y f i n a l l y ，s o m ee x a m p l ea r eg i v e nt o t e s tt h et e c h n i q u e ( 4 ) i nt h ep a p e r , t h es t a n d a r dk - gt u r b u l e n c em o d e li se s t a b l i s h e d 、 ，i t l lw a l lf u n c t i o n s d e a l i n gt h ef l o wn e a rw a l l s ( 5 ) f i n a l l y , s e w a g eo u f f a l lp r o b l e mi ss i m u l a t e db y2 da n d3 ds y s t e mb a s e dt h ep a p e r , a n d t h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s mo f t h es a l i n ei n t r u s i o ni se x p l a i n e d k e y w o r d s ：u n s t r u c t u r e dg r i d s ；l e v e ls e t ：t w o - p h a s ef l u i d ；t u r b u l e n c em o d e l ；s w a t i f i e x lf l o w s ；a r t i f i c i a l c o m p r e s s i o nm e t h o d ；s e w a g eo u t f a l l ；s a l t w a t e rw e d g e 在一些环境问题中，环境流体的密度并非均匀分布的。当密度的差异达到一定程度 时，由于重度的作用，轻质流体受浮力作用会上浮，在密度梯度最大的地方会形成明显 的分界面，出现分层流。分层流产生的原因是很多的，常见的有深水湖泊受太阳辐射而 形成的季节性热力分层流；热电厂热废水排入天然河道形成的温度分层流；潮汐河口盐、 淡水混合形成的盐度分层流；污水排海工程中，放流管中污水和海水混合形成的污盐分 层流等。热( 温度) 和物质在密度分层环境水体中的迁移、扩散和转化规律的较为复杂， 正确地模拟环境水体密度分层特性，对揭示环境水体和污染物质的运动规律有着重要作 用。 目前，模拟密度分层特性的方法，主要是通过求解热或物质浓度对流扩散方程，得 到温度场或浓度场后，由状态方程求得密度场，再耦合主场方程求解运动场。本文从两 流体的角度，采用数值模拟手段，追踪两流体交界面的运动，对每相流体分别求解，并 考虑界面处两流体间的相互作用，模拟了污水排海等分层流问题。 论文的主要创新点为： ( 1 ) 研究了非结构网格下的界面追踪技术，基于快速步进法和源点扫描法的思想，提 出了非结构网格下的l e v e ls e t 改进算法：对界面单元密度、扩散系数等物理参数的处 理，提出了光滑处理和精确计算两种策略。对二维情形，根据符号距离函数精确计算各 网格单元的相体积分布，而后可计算网格单元的密度和扩散系数；对三维情形，采用正 弦函数进行光滑化处理。 ( 2 ) 通过将密度方程和动量方程统一成一个积分方程，提出了处理大密度比问题的数 值方法，避免了单独求解密度方程所导致的问题非线性的增加以及密度的越界现象。采 用梯度重构策略，结合限制器，建立了非结构网格下n - s 方程的求解系统。 ( 3 ) 改进了两流体的人工压缩解法，对人工压缩因子进行了优化处理，使得求解的稳 定性和收敛速度都得到了明显改善。 ( 4 ) 改进了出口边界的处理策略，能有效地处理“无反射”出口边界问题。 图目录 图1 1 扩散器系统盐水楔阻塞流动基本型式图l 图1 2 扩散器系统海水循环阻塞流动基本型式图2 图1 3 湖泊的温度分层示意图6 图1 4 坐标变换示意图9 图1 5 界面及体积份额分布l l 图1 6s l i c 法重构界面的位置i i 图1 7h i r t 法重构界面的位置1 1 图1 8y o u n g s 方法重构界面位置1 2 图1 9 几种常用v o f 法界面重构比较1 2 图2 1 相流体分布与界面示意图一2 5 图2 2 网格单元示意图2 6 图2 3 非结构网格上的迎风单元上游节点2 7 图2 4 迎风单元示意图2 7 图2 5 网格单元示意图一2 s 图2 6 网格单元源点示意图2 9 图2 7 各种点集示意图3 0 图2 8 初始界面及流场3 2 图2 9 单纯拉格朗日粒子法3 2 图2 1 0v o f 方法各种格式计算结果图。3 3 图2 1 1 图2 1 2 l e v e ls e t 方法各种格式计算界面图3 5 l e v e ls e t 方法各种格式计算的符号距离函数等值线图3 6 图2 1 3l e v e ls e t 方程通量形式计算的界面图3 6 图2 1 4l e v e ls e t 方程通量形式计算的符号距离函数等值线圈一3 7 图2 1 5 初始界面及流场3 8 图2 1 6 计算的界面变化图3 9 图2 1 7 计算的符号距离函数等值线图4 0 图3 1 界面单元示图4 2 图3 2 插值单元顶点示意图4 3 图3 3 界面单元的儿种形状一4 5 图3 4 界面与单元的交叉示意图4 5 图3 5 界面单元物理量扩展示意图4 6 图4 i 网格单元密度变化示意图一4 9 图4 2 网格单元示意图5 0 图4 3 辅助点示意图5 1 图4 4 压缩因子优化效果分析。5 6 图4 5 溃坝问题定义 幽4 6 波前位置和水柱高度 图4 7 不同时刻的水面线f 时间问隔o i s ) 图4 8t = 0 3 s 时的压力等值线图 6 5 6 6 图4 9t = 0 3 s 时的流场图。6 6 图4 1 0 实验和计算的波前位置6 7 图4 1l 实验和计算的水柱高度6 7 图4 1 2 驻波问题定义6 8 图4 1 3 初始波面线6 s 图4 1 4 不同时刻的波面线( 对应时间0 ，0 5 ，1 o ，1 5 , 2 0 ，2 5 ，2 6 5 s ) 6 9 图4 1 5 t = l s 速度分布一6 9 图4 1 6t = 2 s 速度分布6 9 澜海大学博士学位论文 运动界面模拟技术及存环境分屡漶问题串的戎用 图5 i 方形扩散器切面示意图7 1 图5 2 扩散器乖向剖面示意图( 单位：c m ) 7 2 图5 3 底管平面示意图( 单位：c m ) 7 2 图5 4 二维计算网格圈( 竖管附近加密) 7 3 图5 5 断面位置示意图7 3 图5 6t - - 6 0 s 时竖管断面垂向流速度分布。7 5 图5 7t = 9 0 s 时竖管断面垂向流速度分布。7 6 图5 8 仁1 2 0 s 时竖管断面垂向流速度分布7 8 图5 9t - - 6 0 s 时底管断面横向流速度分布。7 9 图5 1 0t = 9 0 s 时底管断面横向流速度分布引 图5 i i 户1 2 0 s 时底管断面横向流速度分布跎 图5 1 2 盐水楔位置及流速分布时间变化图8 5 图5 1 3 三维计算网格8 6 图5 1 4 三维计算网格局部加密 图5 1 5t - - 6 0 s 时竖管断面难向流速度分布8 7 图5 1 6t = 9 0 s 时竖管断面乖向流速度分布。8 7 图5 1 7t = 1 2 0 s 时竖管断面垂向流速度分布8 8 图5 1 8 t - - 6 0 s 时底管断面横向流速度分布8 9 图5 1 9t = 9 0 s 时底管断面横向流速度分布9 0 图5 2 0t = 1 2 0 s 时底管断面横向流速度分布9 0 图5 2 1t = l o s 污水楔三维形态9 l 图5 2 2t = 4 0 s 污水楔三维形态9 l 图5 2 3t - - 6 0 s 三维流态示意图9 l 豳5 2 4t = 1 2 0 s 三维流态示意图9 2 n 口 口f a c 珥 岛 见 d q 口 e l i 尼 f f 4 f m g g i 磊 i 七 屯、 所 符号列表 离散化方程的系数 = r f o 一；& ，雷诺应力各向异性张量 面积 浓度 温度扩散系数 浓度扩散系数 通用的扩散系数 r ，方程的扩散项 虬缈方程的扩散项 时步倍率，第4 章；反映壁面粗糙度的系数 而方向的单位质量力分量 = e ( 妒) l i t ，单元面，的法向通量，包括对流通量和扩散通量 f r o u d e 数 对流通量 扩散通量 质量通量 重力加速度，常数 x i 方向的重力加速度分量 ：鱼，无量纲质量力 g 扩展的物理量 紊动能 近壁紊流模型的长度尺度 单元面总数 洞海大学鞲七学位论文 运动屏蠹橇擞技术及程环境分珐撬萌韪牛酶砖用 拼， 最大质量源项 n外法向单位向量 p 压力 p 压力校正值 b 紊动能方程的浮力产生项 弓如方程的应力产生项 兄jr , j 方程的浮力产生项 圪甜，尹方程的产生项 只 紊动能方程的应力产生项 外、吼 相应输运方程的源项 q 通用的离散化源项 r p p 点位置矢量 r e 雷诺数 心= “，“j ，r e y n o l d s 应力张量 足。= 伊，标通量 足，双分层系统和常数热通量问题的侧向稳定性参数 s 应变率张量 墨 通用的源项 t时间 t 温度 珥而方向的速度分量；坼方向的脉动速度分量( 紊动方程中) u 以估计压力p 为基础的速度 t速度校正 【 入流合速度 u ：摩阻合流速 矿 体积 而坐标值，i = l ，2 ，3 分别代表x ，y ，z h 口 重构限制因子；松弛因子 盯。压力松弛系数 相关的系数，具体见公式说明 磊 k r o n e c k e r 算子 p紊动能七的耗散率 勺如的耗散率 q 、岛精度控制值精度控制值 毛矿的耗散率 rv o n k a r m a u 常数 分子运动黏性系数 肛紊流运动黏性系数 y 分子动力黏性系数 u= 丝，紊流动力黏性系数 正紊动p r a n d t l 数 n f毛方程的压力一应变项 n 。虬妒方程的压力一应变项 p 流体密度 成 环境流体密度 舻脉动浓度 符号距离函数或通用变量 。 权值 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月1 1 日 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印 件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学 研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月1 1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景 在一些环境问题中，含输移物质的流体密度和受纳水体密度常常存在差异，这些差 异在一定条件下会使环境水体出现明显的分层现象。在近海、河口、水库和湖泊以及天 然河流中，由于水沙、温热、盐度、轻重质污染物质的排入等因素的综合作用，这种分 层现象是常见的。最典型的分层现象有： 污水捧海“污水捧海工程技术”是在不影响水体功能的前提下，借助远离岸边并 置于海床上的多孔扩散器，将经过一定程度处理的城市废水或类城市废水均匀地排入海 域，使其在短时间内得到高倍数的稀释，并利用海洋固有的物理、化学及生物自净能力 降低污染物的浓度，达到保护海洋环境的目的【“。由于污盐水密度的差异引起的分层效 应，海水对污水的排放会产生盐水楔阻塞【2 】1 4 和海水循环阻塞 3 l 【4 】。 型刳型型r a ) 系绕被海农完满( ”竖管1 感漉，蹙管2 、3 、4 入橙 ( c ) j 斑界对剩( d ) 竖管1 、2 出洫。竖蛰3 ，4 入役 图1 1 扩散器系统盐水楔阻塞流动基本型式囝 ( a ) 正常摊放( b ) 停殛后疑管1 ，2 入侵，竖管3 、4 出漉 稠海大学辩七学位论文运动界由模拟技木硬存环境分甚流问题中的戎胃 ( c ) 增大作污液瓒，骚镑1 停i 入没圆骚管i 、3 、4 出淹，瀑管2 入侵 田1 2 扩散器系统海水循环阻塞流动基本型式囝 盐水楔阻塞：污水进入充满海水的扩散器后，由于其比重比海水轻，形成浮力流， 并产生了一个海污水分界面。在扩散器里海水的阻塞下，污水的过水断面逐渐变小并首 先从近岸端上升管排出，污水之下的海水形成盐水楔。当污水从盐水楔处转弯流至上升 管时，在该处形成水射器作用，产生负压区，随流吸走该上升管附近的海水。由于水流 的连续性，扩散器外面的海水即从远岸端的上升管进入来补充扩散器里被污水带出去的 海水，形成了海水从远岸端上升管进入，从近岸端上升管与污水一道排出的入侵循环。 从盐水楔至远岸端，随着各上升管离“水射器”距离变远，上升管内海水入侵的流量依 次递减。随着污水量的增加，盐水楔的位置向远岸端退却，其坡度由缓至陡呈周期性的 变化。其中盐水楔坡度最陡时为一临界状态，此时盐水楔处上升管里没有海水流入，全 为污水出流，远岸端各上升管里盐水入侵流量瞬时为零。当盐水楔超出临界状态时，盐 水楔界面迅速紊动，并后退。 海水循环阻塞：当扩散器在正常运行时突然断流后，其近岸上升管里的污水处于瞬 间的静止状态，而远岸的上升管还在出流。入侵的海水从近岸上升管到达扩散器后，将 卷吸管中原有的一部分污水变成为海水与污水的混合体。由于没有新的污水来补充被海 水卷去的污水，扩散器里残留的污水将会逐渐减少，海水与污水混合后的密度将趋近海 水的密度，入侵循环流的强度亦渐转弱。当管中的污水被全部卷吸走，海水入侵循环流 即停止。在污水断流后，从海水入侵循环流发生至停止的一段时间称之为“衰竭时间”。 据报道，国外的些大型排海工程，其海水自动循环流的衰竭时间可达几小时。在海水 自动循环流停止以前，若扩散器又重新运行，当污水流量小于循环阻塞的临界冲洗流量， 海水的循环流不会衰竭；若污水流量逐渐增大，近岸端上升管与扩散器三通处的压强亦 渐大，对入侵海水向下流动的阻力也增大，入侵海水的流量变小。当污水流量达到循环 阻塞的临界冲洗流量时，入侵海水向下流动停止并很快转而向上流。只要污水流量大于 或等于该临界流量，海水循环阻塞即得到冲洗海水循环阻塞，会减小排出污水的稀释 度，降低水力效率，带入海洋生物在扩散器内壁孳生繁殖，吸卷泥沙在管底沉积，增加 2 第一苹绪论 水流阻力直至堵塞扩散器，给扩散器的运行带来很大的危害。 海水入侵在工程实际中很难避免，因此在排海工程设计时，需要正确计算出扩散器 的临界冲洗流量，以便通过合理的选址和选择合适的扩散器工程参数，使临界冲洗流量 能小于管网系统的最小污水流量，以确保扩散器具有冲洗盐水楔和海水循环阻塞的能 力。为此必须研究扩散器构造因素( 包括上升管高度、间距、喷口射流角度、扩散器倾 角) 和海况因素( 包括海水密度、喷口淹没水深、海水流速和波浪) 的影响1 5 1 【6 l 7 1 。 温捧放问题一般情况下，对垂向无密度明显交化的受纳水体，电厂温排水在水 体中运动时形成的异重流是因温差产生的，废热在受纳水域中集中在上层输移。当环境 水体垂向盐度存在明显变化时，废热水的运动会更加复杂。温度与盐度对温排水进入环 境水体后稀释扩散行为的影响，主要表现在对其密度的改变上。对3 0 左右的水体， 温升1 0 水体的密度差为4 9 f i , 方r _ _ 右，而水体的盐度差为5 0 时，其密度的增加也达4 左右可见，取水口与排水口附近水体的盐度差别超过5 时，在电厂排水超温的通常 值下，盐度差别引起的密度差已足以掩盖因超温产生的密度差，这将导致温排水排放后 稀释扩散行为的较大变化。此时，温摊水自排口捧放后将不再向上层水体掺混，而是很 快向下层水体跌落，并沿程稀释。当降至某一水深处时，因环境水体盐度( 密度) 的增 加，温捧水不再下跌，而在此深度附近水体稀释扩散。即在环境水体密度分层较明显时， 由于取排水口垂向位置的不同，不一定形成实际的向上浮力射流现象。 电厂温排水会引起水质发生物理的、化学的和生物化学的变化，温度升藏水的粘 度降低、密度减小，水中沉积物的空间位置和数量会发生变化，导致污泥沉积量增多。 废热捧入地表水体后，导致水湓急剧升高，水中溶解氧气减少，氧扩散系数增大，引起 鱼类等水生动植物死亡。对于河湖港汉，因热污染使水体处于缺氧状态，厌氧菌大量繁 殖，有机物腐败严重，影响了周边环境和生态平衡。温度升高还会使水中化学物质的溶 解度增大，生化反应加速，影响水生生物的适应能力。改变水生生物群落结构，影响生 物多样性。水温升高，生化作用加强，有机残体的分解速度加快，营养元素大量进入水 体，更易形成富营养化。水温的升高，还会加快河面的蒸发，改变饮用水水质，滋生病 毒、细菌，加大水中所含氰化物和重金属的毒性。 河口问题入海河口是盐水与淡水交会的地方，从上游来的淡水径流下泄入海，而 含盐分、密度较大的海水则随潮上溯，于是便发生盐水与淡水的混合和盐水的入侵问题。 河口区中咸淡水的盐度、密度和含沙量不同，混合之后便会影响河口的动力状况和沉积 情况在盐水入侵的范围内，因受密度梯度的影响，垂线流速分布与无潮河流有较大的 河海大学博士学位论文运动界面模 让技术及在环境分器漉陶器中的应用 差别。在涨潮流期间，密度梯度与水面坡降一致，有加大潮流流速的作用。但因底部密 度梯度大而加大了底部流速，最大流速出现在底部某一深度。落潮流期间，密度梯度与 水面坡度相反，有减小落潮流速的作用，因底部密度梯度大，故对底速起了阻碍作用。 咸淡水混合程度可用混合指数来表示。混合指数是指涨潮期间内进入河口的淡水量与涨 潮期间的潮流量的比值。根据混合指数值的大小，河口威淡水的混合类型可以分弱混合 型、缓混合型和强混合型3 种。 ( 1 ) 弱混合型混合指数大于0 7 ，即径流量比重大，淡水从上层流向海洋，而海水 盐度及密度大，沿底层侵入，咸淡水分层清楚，故也称高度分层型。由于河水具有粘性， 在两层界面附近流动的水体中有切变现象，界面将被推向下游直至表面产生足以对抗这 个力的坡度，使下层盐水呈楔形。这种河口也称盐水楔河口盐水楔界面上下层水量交 换很少，上下层盐度差可超过2 0 o ，而水平方向的盐度差却很小。盐水楔的顶端附近是 河口区淤积严重的地带，主要由于成淡水相遇，流速减弱，物质沉积所致。同时盐淡水 电解质不同的水体相遇，引起细粒物质絮凝也是原因之一，楔形顶上下移动的大小，主 要取决于径流与潮流量的变化。但其位移的范围一般很小，美国密西西比河口西南水道， 我国珠江口的磨刀门水道即属此类型。 ( 2 ) 缓混合型 混合指数在0 2 - 0 5 之间，由于径流、潮流均较强，咸淡水间没有明 显的界面，水平和垂直方向上均有密度梯度存在，底层咸水向上混合，上层淡水向下混 合，表面淡水下澄，下层咸水上溯。为了维持水流的连续性，下层向陆流的水必须经过 上层回到海洋，导致了从下向上的垂直方向的水流。底部成水上溯的头部，有一个流速 零点，称滞流点。这里是含沙量最大的地带，这里可以出现最大混浊带。河底泥沙沉积 也多，容易产生浅滩，我国的长河河口基本属于此类型。 ( 3 ) 强混合型 混合指数小于0 1 ，潮汐作用占主导地位。咸淡水之间强烈混合，断 面上的等盐度线近于垂直，盐度垂向差异一般小于4 ，然而沿程盐度明显增加，即纵 向上盐度梯度明显。故这类河口也称垂直均匀混合型河口。在河宽较大的或三角港河口， 由于地转偏向力的作用，横断面两岸边保留着盐度差，在北半球，面向海洋，涨潮流偏 于左侧，落潮流偏于右侧，河口的左侧盐度较高，而右侧较低。英国的泰晤士河、我国 的钱塘江河口均属此类。应该指出混合类型的划分是以径流、潮流对比为指标的。同 一河口洪水期与枯水期，径流、潮流量对比关系不同，故河口混合属性也会转化。例如， 长江口，洪水小潮汛时期属于高度分层型，而平时则属于缓混合型。 水库异重流水库异重流异重流是两种密度不同的流体相汇合，由于比重的差异而 第一章绪论 发生的相对运动。在运动过程中，各层流体能保持其原来的特性，不因交界面上的紊动 作用而发生全局性的掺混现象。水流密度差异多数是由于水温、含沙量、溶解质的含量 不同所致。温差异重流常见于热电站冷却水的引水口，盐水异重流常见于入海河口，而 浑水异重流则主要发生在河流入库处。挟沙水流进入水库壅水段后由于水深增加，流 速减低，水流中所挟带的泥沙不断向底部沉降，水面的流速与含沙量逐渐趋向于零向 底部沉降的泥沙，较粗的部分将就地落淤，形成三角洲淤积，较细的则由于沉降速度小， 还能继续保持悬浮状态。进到潜入点( 水库异重流形成和插入库底的潜入点) 以后，表 层水开始变清，形成一个明显的清浑水交界面，这时该区段内出现两种比重不同的流体， 在重力作用下，潜入底部的水流就有可能携带着所剩下来的悬浮物质，以一定的速度向 前运动，形成异重流。由于异重流在向水库区运动的过程中，将带动一部分交界面上的 清水相随同行，因而其表层就会出现相反方向的补偿流。这种补偿流的回流将推动水面 的漂浮物质向潜入点附近聚集，这就是水库异重流产生的一个标志。清浑水的重量差是 形成水库异重流的根本原因。据研究，入库浑水的含沙量大于库水含沙量千分之一即可 产生异重流，而浑水含沙量大于1 0 1 5k g m 3 时，异重流才比较稳定；其次是组成异重 流泥沙的颗粒一般要细小，通常以d = o 0 1m m 的粒径为界限粒径。此外，如果入库的 浑水能持续不断，库底又有足够的坡降，则异重流能在水库中长距离运行，以至到达坝 前。此外，如果坝体底孔开启异重流就可以排出水库。异重流的运动规律与一般明渠水 流有类似的地方。异重流发生后，维持异重流前进的动力与明渠一样，也是重力。但由 于异重流体受到上层清水的包围，并受上层流体的浮力作用，故异重流体的有效重力大 大减小。据研究，浑水的有效重力为原重力的1 1 。由于重力作用大大削弱，使惯性 力的作用相对显得十分突出。相对突出的惯性力作用，使异重流能够轻易超越障碍及爬 高，这是一般水流运动做不到的。此外，由于重力作用减弱，阻力作用也显得十分突出， 由于阻力作用相对增强，故异重流的运动速度是很小的，通常只及一般水流的3 3 - 1 0 。 因此，异重流要维持长距离运动，清浑水交界面在水流方向上必须有足够的坡度。 水中溶解的污染物或胶状物，会与泥沙产生复杂的吸附解吸过程，影响的因素主要包 括：水体泥沙浓度、水体污染物浓度、泥沙粒度、紊动强度、沉积物厚度、温度和p h 值 等。细颗粒泥沙表面吸附污染物后会改变颗粒的电化特性，引发絮凝，加速沉降。同时 泥沙会加速有机污染物的降解，在天然水体的净化过程中起着非常重要的作用。污染物 在对流扩散过程中，其浓度随时空变化，相应悬浮泥沙上的吸附解吸量以及底泥的释放 量等也在不断的变化。污染物模型计算应该反映污染物在泥沙上的吸附解吸动态平衡及 立 ；一a 耋薹： d二二 6 1 2 研究难点、解决办法及思路 分层界面流的研究涉及运动的界面，关于界面的定义：界面指两种或两种以上不相 掺混多流体的具有任意拓扑结构的分界面，或指一种流体的自由面。前者也称之为内界 面，后者称为自由面。自由面也可看作是内界面的特例，如本文对于一些自由面问题的 模拟就是作为水气两相流问题来处理的，自由面作为水气的内界面。界面形状的不规则 性和非线性导致分层界面流模拟的难度非常大。其复杂性在于： ( 1 ) 界面上边界条件属于混合型非线性边界条件； ( 2 ) 计算域往往不规则，几何形状不断变化，且单连通域可能演变成多连通域； ( 3 ) 界面本身可能产生很大的变形或构成岐点形界面； ( 4 ) 如果计算域内有多个界面，它们可能相互交错； ( 5 ) 对于需要考虑表面张力影响的流动，为了精确求得界面的曲率，需要精细跟踪界 面形状； ( 6 ) 自由液面与固体边界的交接点为岐点，该点处边界条件的设置是一个难点，而该 边界条件的设置直接影响到界面的位置和形状。 由于晃面的可动性在特定情况下对水流流动特性具有决定性的影响，因此运动界面 的模拟精度往往成为数值模拟结果可靠性的关键，也是数值模拟方法应用于包含运动界 面的自然水流运动规律探索的制约因素。本文采用l e v e ls e t 方法追踪分层界面的变化， 通过两流体界面处的一些耦合处理技术考虑两流体间的相互作用，从两流体的角度模拟 环境分层流问题。围绕数学模型的建立，对相关问题进行了系统的研究。 1 3 研究意义 由于水沙、温热、盐度、轻重质污染物质的排入等因素引起的密度分层问题是很常 见的，而且涉及到河口、近海、水库、湖泊等重要水体的环境问题，分层界面流的研究 很有价值和意义。忽略分层流动的差异性，会产生和实际流动不相符的结果，也难以对 一些流动机理作出科学的解释。分层界面流的深入研究，有助于掌握存在密度差异的污 染物质在环境水体中的输运规律，有助于对多物质多相多因素的复杂流动提出合理的解 释，有助于提高数值模拟的精度和可靠性，为水环境整治、水利和环境工程建设以及生 态环境保护等诸多领域的科学决策提供理论支持。对于其他学科中的分层流动现象的研 究也有交叉和借鉴意义。 7 嗣海大学谤。 学位论文运动界强硬 敛技术及在环境分屡漉砑雹中的志两 1 4 国内外的研究现状 1 4 1 界面处理技术 具有自由面水流的数值模拟，是计算水力学界一个公认的棘手问题。对于起伏不大 的自由表面及大体积的水体运动，如河流、海洋中的宏观流体运动，以往常常采用“刚 盖近似”( r i g i & l i d a p p r o x i m a t i o n ) 回避自由表面问题，同时满足计算允许的精度。“刚 盖近似”把自由液面看作一个可移动的刚性盖，其上的边界条件，满足不可。穿入”条 件。它只适用于自由液面波动不大的水流，如果研究自由表面水流的局部变化及自由液 面变动幅度较大的水流，剐盖近似就不再适用。早期的一些研究方法通过确定水深来解 决自由面问题，典型的如：标高函数法。标高函数法：设水深是空间坐标( x ，y ) 和时间t 的函数，则称此函数为标高函数。自由边界必须随着流体一起运动，满足相应运动控制 方程，通过求解得到水流的沿程水深，从而得到自由水面的位置。该方法可用于非恒定 自由水面问题的求解，但对自由表面为坐标的多值函数的问题( 如射流、波浪的破碎) 裁不再适用。到目静为止，界面流的处理技术有了很大的发展，模型种类繁多。根据鄹 格划分，界面流模型可划分为：欧拉模型，拉格朗r 模型和无网格模型。 ( 1 ) 欧拉模型 e u l e r 方法具有处理拓扑结构变化的能力( e u l e r 法的思路是在固定的网格下求解 非界面的流体，对界面进行特殊的处理) 。e u l e r 网格下界面数值模拟算法总的来说， 可分为两类：一是界面跟踪型方法( f r o n tt r a c k i n gm e t h o d s ) ，一是界面捕捉型方法( f r o n t c a p t u r i n gm e t h o d s ) 。跟踪型方法有：锋面跟踪法( f r o n tt r a c k i n gm e t h o d ) ，网格变换 法，移动网格法( m o v i n g m e s hm e t h o d ) ，基于粒子方法( p a r t i c l e b a s e dm e t h o d s1 。 捕捉型方法有：v o f 法，水平集方法。跟踪型方法是对界面上的点进行躁踪即设x 位 于界面上，用d x d t = u 来跟踪界面。其中u 是界面上流体的移动速度。而捕捉型方法 是通过一个标量函数( 如体积份额函数，符号距离函数) 来描述界面，自动捕获出界面。 以上两种方法的区别类似于计算流体力学中，激波计算用到的两种方法：激波装配法和 激波捕捉法。一般来说跟踪型方法对界面的处理具有精度高的特点，但难处理大变形问 题，需要耗费较多的计算资源，以及逻辑关系复杂等缺点而捕捉型方法通过标量函数 自动计算界面的位置，因而具有很强的拓扑结构处理能力，但由于对流项( ”v ) 妒的离散 过程所带来的数值耗散，需要改善和提高界面计算的精度。 s 锋面跟踪法 锋面跟踪法的计算网格采用固定的欧拉网格，在界面( 或界面附近) 设置一些标志 点，标志点的运动，代表了界面的变化。锋面跟踪方法中，标志网格法1 8 , 9 1 ( m a c ) 是 最早的一种，d a l ，川将其进行了扩充。上世纪8 0 年代起g l i m m 等提出了一种新的锋面 跟踪方法【i l 埘，主要是为解决可压流体的界面流问题。它的思想是在离界面远的地方用 标准的e u l e r 网格，在界面附近的网格点用特殊的网格。每一步计算中需重构界面，界 面的法向传播速度由r i e m i a n n 解得出，在界面的切向，根据流体各物理量在界面的附 近网格的切向分量用守恒律的单调迎风格式m u s c l 求解( 或其它高分辨数值方法求 解) 。这种方法的计算量及难点在于重构界面，数据结构复杂。锋面