水体大气复氧理论和复氧系数研究进展与展望

作者对水体大气复氧理论和复氧系数计算公式研究进行总结，分析了水体在静止和紊动水流条件下大气复氧的理论模型和复氧方程，并对计算复氧系数的公式的适用范围进行分析，概括了水体大气复氧方程的基本形式。各复氧系数计算公式大多是基于各自的水力条件，忽略了其他的因素而不能应用于所有的河流，因此可靠性较差，但相对而言，其中以ThackstonKrenkel公式较为有效。     

k-ε双方程水库水温模型浮力模拟分析

在比较国内外常用水库水温紊流模型的基础上,针对采用k-ε双方程紊流模型的宽度平均立面二维水库水温模型,从理论分析和数值模拟两方面讨论了k-ε紊流模型在模拟温差异重流时紊动动能生成项和浮力项的作用机理。分析了紊动动能生成项和浮力项对紊动动能和耗散率各自的影响程度,对水温垂向梯度与紊动动能的相互制约关系进行了探讨,研究了紊动动能浮力项和生成项在水库垂向的分布规律。W2模型根据实测数据率定的涡黏系数或混合长度在通用性上存在一定不足,但在使用者经验丰富的条件下仍能得到足够精确的预测结果。k-ε模型紊动动能生成项和浮力项引起的耗散率改变对紊动动能的影响作为小量可予忽略;k-ε模型可通过紊动动能生成项和浮力项计算与垂向流速和温度分布相适应的涡黏系数,将温差浮力影响反映在垂向动量方程中;浮力项主要受垂向温度梯度控制,紊动动能与垂向温度梯度的相互制约关系是k-ε紊流模型模拟温差异重流的关键因素。     

人工加糙溢流坝复氧实验研究

通过对不同流量、不同加糙溢流坝面情况下的溢流坝复氧实验研究，结果表明，在相同模型装置情况下，流量越大，溢流坝水体复氧效果越小；在等流量情况下，坝越高、加糙物越大的溢流坝复氧效果越明显．将水体自身能量-紊动能和流速应用于溢流坝水体复氧过程研究中，得到了水体氧亏恢复率与紊动能、流速的关系表达式．不同工况的实验资料验证了此关系式的合理性和可靠性，为优化选择河流中建筑物形状以便更好地促进水体生态系统的恢复和河流的自净能力具有重要意义．     

淮河干流信阳段水质预测模型

根据水体扩散理论,建立淮干水质预测相关模型,并进行验证;首次对淮河干流信阳段NH3-N、COD的综合衰减系数,复氧系数和耗氧系数等4项开展现场试验及分析,结果表明,引起误差的主要原因是复氧率及光合作用随河流而异,难以准确确定。     

κ—ε模型在紊流波浪底部边界层中的应用

本文采用数值方法，用κ－ε模型对紊流波浪底部边界层进行了研究，数值求解中用有限体积法得到了边界层中速度场，紊动功能场及紊动动能耗散率场，并用实验加以验证，两者结果一致。     

明渠近壁区水流的紊动特性分析

根据ADV采集的试验水槽中的三维流速,运用紊流统计理论,从流速概率分布、紊动强度、雷诺应力和紊动动能概率分布方面,对明渠近壁区水流的紊动特性进行了分析。可得:在近壁区,横向、纵向分流速及合成瞬时流速的概率分布与正态分布相似,而垂向上则偏差较大;横向的紊动强度和雷诺应力的分布形式与纵向相似,值略小,垂向趋于一个常数;利用试验数据统计得到的紊动动能概率分布与同性均匀湍流条件下理论推导的概率分布进行了对比,说明三维流场结构下,紊动动能的概率分布更符合卡方分布。进一步根据紊流的三维紊动特性,指出应该根据水流涡团运动在方向和大小上的瞬变性,从三维方向上考虑泥沙起动时的受力。     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。     

关于挑流扩散消能机理的探讨

本文结合实验结果,应用紊流理论对挑流扩散消能机理进行了讨论。认为扩散消能的本质,是由紊动粘性耗散,以及掺气气泡滞后所引起的附加能耗所构成。此外,文中还指出了增强扩散消能效果的途径。     

含油废水向水下扩散的实验研究

本文利用摄像结合数字图象处理技术，实测分析含油废水在混合水箱中的扩散浓度场，验证了水体的紊动作用是油滴向水下扩散的主要动力；实验及数值计算结果表明，混合水箱中的油紊动扩散系数Ｄｚ沿水深而增大，呈指数分布；油份浓度越大的含油废水越难向水下扩散，Ｄｚ含油废水的油份浓度呈指数衰减关系，而与紊动强度呈线性增加关系。     

同心圆柱套筒内流动特性研究

本文采用实验与理论相结合的办法对同心圆柱套筒实验装置内的流场进行了分析研究。数值模拟采用柱傺系下三维ｋ－ε紊流模型和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，使模型充分考虑了流动的曲率效应。从计算结果与多普勒激光测速仪的测量资料的分析比较看出，计算结果是可靠的。这一研究对于探索紊动等水动力学特性对水体复氧及有机物降解规律的影响奠定了基础。     

Anisotropic diffusion of volatile pollutants at air-water interface

The volatile pollutants that spill into natural waters cause water pollution. Air pollution arises from the water pollution because of volatilization. Mass exchange caused by turbulent fluctuation is stronger in the direction normal to the air-water interface than in other directions due to the large density difference between water and air. In order to explore the characteristics of anisotropic diffusion of the volatile pollutants at the air-water interface, the relationship between velocity gradient and mass transfer rate was established to calculate the turbulent mass diffusivity. A second-order accurate smooth transition differencing scheme (STDS) was proposed to guarantee the boundedness for the flow and mass transfer at the air-water interface. Simulations and experiments were performed to study the trichloroethylene (C₂HCl₃) release. By comparing the anisotropic coupling diffusion model, isotropic coupling diffusion model, and non-coupling diffusion model, the features of the transport of volatile pollutants at the air-water interface were determined. The results show that the anisotropic coupling diffusion model is more accurate than the isotropic coupling diffusion model and non-coupling diffusion model. Mass transfer significantly increases with the increase of the air-water relative velocity at a low relative velocity. However, at a higher relative velocity, an increase in the relative velocity has no effect on mass transfer.     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

RE-AERATION LAW OF WATER FLOW OVER SPILLWAYS

1. INTUODUCTION Due to the strong turbulence of the flow over the spillway, air is entrained into water body making the oxygen content increased. It is important for river, especially for city-river to maintain favorable water quality and ecological envir…     

含油废水向水下扩散的实验研究

本文利用摄像结合数字图象处理技术，实测分析含油废水在混合水箱中的扩散浓度场，验证了水体的紊动作用是油滴向水下扩散的主要动力；实验及数值计算结果表明，混合水箱中油滴紊动扩散系数Ｄｚ沿水深而增大，呈指数分布；油份浓度越大的含油废水越难向水下扩散，Ｄｚ与含油废水的油份浓度呈指数衰减关系，而与紊动强度呈线性增加关系。     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

浓度及温度场问题三维数值模拟及应用

研究温度和污染物的扩散规律,对于健康河流具有十分重要的意义。在排水口附近,温度和污染物的扩散具有很强的三维性。在已开发的三维紊流水动力模型基础上,研制了浓度及温度场三维数学模型。在模型中,空度用来处理不规则边界,VOF用来处理自由面。另外,模型还采用了k-ε紊流模型和壁面函数。利用建立的模型,对水槽和天然的排水口附近的水位、流场、紊动能及其扩散率、温度场和浓度场的分布规律等进行了模拟和研究。通过研究进一步认识了排水口局部三维水流运动规律,浓度和温度扩散规律及分布。     

明渠自掺气水流掺气浓度分布Wood模型的改进研究

本文对明渠自掺气水流均匀流区掺气浓度分布的Wood计算模型建立中的两条基本假设进行了改进,在考虑掺气水流水气二相间相互作用的条件下,建立了气泡上浮速度和紊动扩散系数的计算式,并运用紊动扩散方程,导出了掺气均匀流掺气浓度分布的计算公式。计算值与实测值吻合良好。     

INFLUENCE OF COHERENT STRUCTURE ON SCALAR DIFFUSION IN TURBULENT BOUNDARY LAYERS

1.　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｆｏｕｎｄａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎｔｈｅｒｅｃｅｎｔｔｈｒｅｅｄｅｃａｄｅｓａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄａｓｔｒｏｎｇｉｍｐｅｔｕｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕ...     

天然河道紊动扩散系数研究

在天然河流的水流泥沙数值模拟计算中,衡量模型模拟计算好坏的常用标准是模型的计算精度,而影响模型计算精度的因素主要体现在动量传递系数和紊动扩散系数的合理取值。在普朗特掺长假定和动量传递理论的基础上,将雷诺应力与时均流速梯度联系起来,并利用长江干流黄陵庙水文观测断面不同流量级、不同垂线脉动流速以及悬移质含沙量沿垂线分布的观测资料,计算与分析了水流的动量传递系数与小尺度紊动扩散系数的大小及其两者的关系,结果可为平面二维工程紊流计算问题提供参考依据。     

Estimation of Heat and Hydrologic Budget of Upper Klamath Lake Oregon,USA Using Updated DLM-WQ Model

Estimation of lake hydrologic budgets is essential for sustainable water management due to increasing water demand and uncertainties related to climate change. The updated turbulent diffusion transfer algorithms were developed and incorporated in the DLM-WQ model developed at UC Davis to estimate the Upper Klamath Lake’s dynamics, and heat and hydrologic budget. The exchange coefficients for latent heat (C_EN), sensible heat (C_HN), and wind drag (C_D) of the turbulent diffusion model were calibrated using coefficient of correlation as the objective function. The agreement between estimated and measured lake water elevation and temperature are found to be excellent with correlation coefficients 0.99 and 0.95, respectively. The heat and hydrologic budgets are more sensitive to evaporative heat loss (35 %) than sensible heat exchanges (11 %). The stream inflow and lake outflow dominate the hydrologic budget with approximately 47 % due to stream inflow and approximately 44 % due to lake outflow. Precipitation directly on the lake and evaporation from the lake are only 3 % and 6 %, respectively. The lake mixes to the bottom sporadically during spring and summer. Estimated deep mixing for the period 1994–1996 shows the lake’s increasing stability without a deep mixing event for approximately 4 months during summer in 1996. Prolonged stratification in the hypereutrophic lake is expected to lead to hypoxia near the sediment surface resulting in exacerbation of existing ecological problems. The DLM-WQ model can be applied to a broad range of lakes/reservoirs with selection of appropriate C_EN and C_HN value for lake/reservoir dynamics and water resources planning evaluation.