1、.裝訂線 畢業(yè)設計論文闡明書：.；摘要在本課題的研討中，運用水動力學及污染物傳輸耦合的數(shù)值計算的數(shù)值模型，經(jīng)過建立基于二維和三維不可緊縮流體Navier-Stokes方程和湍流k-模型的重力流及污染物數(shù)值計算的數(shù)學模型來模擬河道的彎曲度對不可分解污染物在彎曲河道中的分布的影響，這對處置河道中的突發(fā)性污染事件的科學決策有一定的參考作用。由二維和三維的模擬結果可知，河道彎曲度對污染物在河道內(nèi)的分布主要取決于流速和重力作用的影響。流速的改動主要出如今河道的彎曲處，這時會在彎道處出現(xiàn)回流區(qū)和死水區(qū)，它會妨礙密度較大的污染物的流動，使得這一側污染物濃度較大。而在污染物隨著水流往下游流動的過程中，重力作用

2、也會顯現(xiàn)出來。由于污染物的密度比水要大，這使得污染物在流動的過程中往河底沉降下來，繼而在河道底部構成以河道中心線為對稱軸的坍塌回聚式震蕩的分散過程。關鍵字: 河流 污染物 環(huán)境污染 數(shù)值模擬 Fluent GambitAbstractIn that issue of the study, the application of hydrodynamics and contaminant transport numerical coupled numerical model, Through the establishment of two-dimensional and three-dimens

3、ional incompressible Navier-Stokes equations and fluid turbulence k- model of gravity flow and pollutant numerical calculation of the mathematical model to simulate the distribution effection of curvature of river to indecomposable pollution in the river bend , which have some reference to deal with

4、 the sudden river pollution incidents in the scientific decision-making. By the results of two-dimensional and three-dimensional simulation,we know the river curvature to the distribution of pollutants in the river channels depends on the velocity and gravity. Velocity change was seen in the river b

5、end, then the back river area and dead zone area will appear in the corners, it will impede the flow of pollutants in high density, making that side with large concentration of pollutants. As the pollutants flow downstream with the water,the influent of gravity will appear. As the contaminants densi

6、ty is larger than water, which makes the pollutants in the flow settle down to the river bottom, and then in the river bottom to form a channel for the symmetry axis of the collapse of the center line of poly-type shock return to the diffusion process. Keywords：Rivers ，Pollutants， Environment Pollut

7、ion，Numerical model，F(xiàn)luent ，Gambit 目錄 TOC o h z u HYPERLINK l _Toc 目錄 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 引言 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .課題研討背景 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .國內(nèi)外水污染情況 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .國內(nèi)外水質(zhì)模型研討現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .彎曲河道污染物分布數(shù)值模擬的義務和內(nèi)容 PAGEREF _Toc h

8、HYPERLINK l _Toc .彎曲河道污染物數(shù)分布值模擬的意義 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 數(shù)值計算模型 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .水質(zhì)模型的引見 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .數(shù)學模型開展歷史 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .三維模擬污染物分散控制方程 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .模擬邊境條件 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .數(shù)值計算方法 PAGEREF _Toc h H

9、YPERLINK l _Toc .模擬預期結果 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 河道各段數(shù)據(jù)計算 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道各段數(shù)據(jù)和計算公式 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 基于Gambit和Fluen

10、t技術下二維河道的模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .Gambit軟件和Fluent軟件的引見及其特點 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .不同彎曲度河流的二維溫度模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .二維溫度模擬結果分析 PAGEREF _Toc h

11、 HYPERLINK l _Toc .不同彎曲度河流的二維速度和密度模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .河道彎曲度為度 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 二維密度模擬結果分析 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 基于Gambit和Fluent技術下三維維河道的模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 度彎

12、曲河流的三維污染物模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 度彎曲河流的三維污染物模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 度彎曲河流的三維污染物模擬 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 污染物模擬結果分析比較 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .污染物模擬結果總結 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .不同河道彎曲度模擬結果分析比較 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 結論 PAGEREF _Toc h HYPERL

13、INK l _Toc 參考文獻 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 致謝 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附錄 PAGEREF _Toc h 引言.課題研討背景世紀是世界科學技術和經(jīng)濟程度高速開展的黃金時期，伴隨著經(jīng)濟程度的迅速提高和世界人口的急劇膨脹，人類對環(huán)境資源的需求量也在不斷添加，同時對環(huán)境的破壞也越來越嚴重。人類賴以生存的水資源隨著水污染的日益加劇也越來越緊張。水資源的匱乏也將制約著全球經(jīng)濟的開展。進入世紀之后，環(huán)境問題也越來越突出，人類的生存環(huán)境遭到了更多的考驗和更大的挑戰(zhàn)，這使得環(huán)境維護這一艱苦課題將在未來成為世界各國開

14、展任務中的重中之重。水作為人類的生命源泉，在社會文明的提高和工業(yè)的高速開展的過程中，水污染問題日趨嚴重，逐漸成為世界性的頭號環(huán)境治理難題。.國內(nèi)外水污染情況早在世紀，英國由于只注重工業(yè)開展，而忽視了 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 水資源維護，大量的工業(yè)廢水廢渣傾入江河，呵斥 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 泰晤士河污染，根本喪失了利用價值，從而制約了經(jīng)濟的開展，同時也影響到人們的安康、生存。之后經(jīng)過百余年治理，投資億多英鎊，直到世紀年代，泰晤士河水質(zhì)才得到改善。世紀初，德國 HYPERLINK

15、 baike.baidu/view/.htm t _blank 萊茵河也發(fā)生嚴重污染，德國政府為此運用嚴厲的法律和投入大量資金努力于水資源維護，經(jīng)過數(shù)十年不懈努力，在萊茵河流經(jīng)的國家及 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 歐盟共同協(xié)作治理下，才使萊茵河碧水暢流，到達飲用水規(guī)范。近些年，水質(zhì)惡化也困擾著美國人。不斷以來，紐約市民以自來水質(zhì)純美而驕傲，其他州的面包商甚至特別運用紐約市自來水以消費貨真價實的紐約圈餅。年前寄生蟲侵入密爾沃基供水系統(tǒng)，呵斥人死亡，萬人致病后，水質(zhì)問題備受關注，如今紐約市民每天生活在飲水不凈的要挾下。年，美國總統(tǒng)克林頓宣布了一

16、項投資億美圓的清潔水行動方案，治理美國已受污染%的水域。在興隆國家著手治理和改善水環(huán)境的同時，世界上其他開展中國家和經(jīng)濟欠興隆國家的水污染卻在日益加劇。在非洲，經(jīng)濟的開展和水資源的極度匱乏曾經(jīng)產(chǎn)生了宏大的矛盾，隨著工業(yè)消費帶來的水污染問題的日益加劇，這一矛盾將不斷激化。在拉丁美洲，亞馬遜河沿岸日益增多的工廠和居民區(qū)也使這條美洲國家的母親河的水質(zhì)急劇惡化，亞馬遜河水質(zhì)的下降也極大的影響著該流域周圍的生態(tài)環(huán)境。除了這些國家本身對水環(huán)境的破壞之外，興隆國家的高污染行業(yè)的進入，進一步添加了對水環(huán)境的污染和破外程度。雖然世界上大多數(shù)國家曾經(jīng)認識到污染江河湖泊等天然水資源的惡果，并曾經(jīng)開場著手進展治理，但

17、畢竟曾經(jīng)蒙受了宏大的損失，雖然曾經(jīng)醒悟，但為時較晚。而日趨加劇的水污染，已對人類的生存平安構成艱苦要挾，成為人類安康、經(jīng)濟和社會可繼續(xù)開展的艱苦妨礙。據(jù)世界權威機構調(diào)查，在開展中國家，各類疾病有%是由于飲用了不衛(wèi)生的水而傳播的，每年因飲用不衛(wèi)生水至少呵斥全球萬人死亡，因此，水污染被稱作世界頭號殺手。在我國有%的人飲用淺井和江河水，其中 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 水質(zhì)污染寬大細菌超越衛(wèi)生規(guī)范的占%，遭到有機物污染的飲用水人口約.億。長期以來，人們不斷以為自來水是平安衛(wèi)生的。但是，由于水污染，如今的自來水已不能算是衛(wèi)生的了。一項調(diào)查顯示，在全

18、世界 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 自來水中，測出的化學污染物有種之多，其中有些確以為致癌物或促癌物。從自來水的飲用規(guī)范看，我國尚處于較低程度，自來水目前僅能采用沉淀、過濾、加氯消毒等方法，將江河水或地下水簡單加工成可飲用水。自來水加氯可有效殺除病菌，同時也會產(chǎn)生較多的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 鹵代烴化合物，這些含氯有機物的含量成倍添加，是引起人類患各種胃腸癌的最大根源。目前，城市污染的成分非常復雜，受污染的 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _bla

19、nk 水域中除重金屬外，還含有甚多農(nóng)藥、化肥、洗滌劑等有害殘留物，即使是把自來水煮沸了，上述殘留物仍驅之不去，而煮沸水中添加了有害物的濃度，降低了有益于人體安康的溶解氧的含量，而且也使 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 亞硝酸鹽與 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 三氯甲烷等致癌物添加，因此，飲用開水的平安系數(shù)也是不高的。據(jù)最新資料泄漏，目前我國主要大城市只需%的居民飲用水符合衛(wèi)生規(guī)范，小城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村飲用水合格率更低。水污染防治當務之急，應確保飲用水合格。為此應加大水污染監(jiān)控力度，設立供水水源地維護區(qū)

20、。 母親河黃河年第一次斷流，年斷流天，近公里河床干涸。海河條支流，無河不干，無河不臭。華北地下水嚴重超采，構成面積萬多平方公里的世界上最大的地下水漏斗區(qū)，地面下沉，海水入侵。全國個城市中，有多個供水缺乏，多個嚴重缺水。上世紀九十年代末以來，土地沙化速度上升到每年多平方公里。 更可怕的是，我國水資源總量還在下降。年總量為億立方米，而年就降到億立方米。從上世紀年代以來，長江上游多條河流平均萎縮了.。世界自然基金會月日發(fā)表報告，將長度與水量均為世界第三的長江列入世界面臨干涸的條大河之一。我國擁有這么多的大江大河，但隨著人口的增長、經(jīng)濟的飛速開展以及對資源日益愈盛的需求，對江河及其附近水域呵斥的污染也

21、日益嚴重。例如長江上游三峽庫區(qū)上游就有大中型工礦企業(yè)三千多家，年均船舶流量有十萬余艘。而每年長江沿岸的城市和鄉(xiāng)村地域向長江流域排放的污染物為總量多達多億噸，占全國%以上，其中%以上的污水未經(jīng)有效處置就直接排入長江。排入長江的主要污染物有：.工業(yè)廢水和生活污水；。農(nóng)業(yè)面污染；.航運量激增帶來的大量船舶污染。而這些污染物中包括大量有機物和重金屬，而這些污染物大多是不可分解或難分解的污染物。長江主干道多為彎曲河道，了解河道的的彎曲度對不可分解污染物在彎曲河道中的分布的影響，對有效應對因此類危險污染物的大量排放的突發(fā)事故對水質(zhì)污染的風險，及時采取有效科學的對策，有很大的協(xié)助 。因此有必要建立一具預測才

22、干的、通用性強、可靠的數(shù)學模型可對各種能夠情形下的污染物在彎曲河道上的變化做出準確的預測，從而為水質(zhì)的評價、改善及管理提供科學的根據(jù)。.國內(nèi)外水質(zhì)模型研討現(xiàn)狀水污染作為當今世界性的環(huán)境問題，曾經(jīng)越來越得到各個國家的注重。而水質(zhì)模型作為環(huán)境水污染控制，水質(zhì)規(guī)劃和環(huán)境管理的有效工具，曾經(jīng)被廣泛用于水污染方面的各項研討。 第一個水質(zhì)模型是年由美國工程師streeter和phleps提出的氧平衡模型，由phleps在年總結和公布，即經(jīng)典的streeter-phleps水質(zhì)模型。這個模型的根本原理是相當合理的，所以模型及其某些修正公式至今仍被用于模擬水質(zhì)。美國環(huán)保局(USEPA) 于 年推出QUAL-水

23、質(zhì)綜合型, 年開發(fā)出QUAL-模型,其后又經(jīng)多次修訂和加強,推出了QUALE、QUALE-UNCAS的水質(zhì)模型 。WASP(Water Quality Analysis Simulation Program) 是美國環(huán)境維護局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),可用于對河流、湖泊、河口、水庫、海岸的水質(zhì)進展模擬. WASP 最原始的版本是于 年發(fā)布的 ,它綜合了以前其它許多模型所用的概念.MIKE模型體系由丹麥水動力研討所(DHI)開發(fā),包括MIKE，MIKE和MIKE. MIKE是一維動態(tài)模型,能用于模擬河網(wǎng)、河口、灘涂等多種地域的情況,研討的變量包括水溫、細菌、氮、磷、DO、BOD、藻類、水生動物、巖屑、

24、底泥、金屬以及用戶自定義物質(zhì). 它有很好的界面,能處置許多不同類型的水動力條件。MIKE是MIKE的姐妹模型,在全世界廣泛運用,用來模擬在水質(zhì)預測中垂向變化常被忽略的湖泊、河口、海岸地域. MIKE 是另一個由DHI 開發(fā)的模型,與MIKE 類似,但它能處置三維空間.此外歐洲和其他國家也都獨立開發(fā)了一些水質(zhì)模型，用于水污染的防治和評價任務。中國作為一個世界人口大國，近年來伴隨著人口的增長，水污染問題也越發(fā)突出。除了加強水污染的防治和監(jiān)管任務之外，利用水質(zhì)模型來研討污染物對水質(zhì)的影響也越來越重要。近年來國內(nèi)關于水質(zhì)模型的研討大多為二維數(shù)學模型，如采用交錯C 網(wǎng)格和ADI 法對重慶主城區(qū)內(nèi)的長江及

25、嘉陵江匯流流域進展了流場的數(shù)值模擬，以及柳江柳州城區(qū)段二維非穩(wěn)態(tài)FVS 格式水流水質(zhì)模型等國內(nèi)研討均為二維數(shù)值模型。三維水質(zhì)模型近年來也得到了很大的開展?；谌S不可緊縮流體Navier-Stokes方程和湍流k-模型的重力流及污染物數(shù)值計算的數(shù)學模型對湖泊或水庫內(nèi)水下夾帶堆積物的重力流的速度、濃度及堆積物堆積形狀的模擬結果和實驗結果高度吻合。三維模擬作為一種更加有效地水質(zhì)評價系統(tǒng)，將會在未來被更加廣泛的運用。隨著國內(nèi)三維水質(zhì)模擬的進一步開展和改良，對有效應對因此類危險污染物的大量排放的突發(fā)事故對水質(zhì)污染的風險，及時采取有效科學的對策，有很大的協(xié)助 。.彎曲河道污染物數(shù)值模擬的義務和內(nèi)容義務：

26、量化。經(jīng)過對污染物的數(shù)值模擬，了解其組成成分的分布情況及其變化規(guī)律，從而為決策提供根據(jù)。優(yōu)化。經(jīng)過數(shù)值模擬，采用科學的規(guī)劃手段對污染物進展優(yōu)化處置以及對污染物進展控制和監(jiān)測，使污染物的含量和組成成分對環(huán)境的影響降到最小。決策。對水環(huán)境各種資源進展調(diào)度，分配，使得其社會效益和環(huán)境效益均到達較理想形狀?？刂啤Ｊ顾h(huán)境的各資源在管理者的監(jiān)控之下，發(fā)揚其最大的社會效益。內(nèi)容：對水流流場、水質(zhì)濃度場等進展模擬，分析污染物在空間和時間上的變化規(guī)律，以實現(xiàn)對水環(huán)境的有效規(guī)劃管理和污染控制。對一固定流速場中等彎曲度河道內(nèi)投入較重或較輕的污染物的研討曾經(jīng)存在，但河道彎曲程度對污染物在彎曲河道內(nèi)的分布特征會有什么

27、影響還未研討。本課題中將經(jīng)過建立二維和三維模型來模擬不同河流的彎曲度對不可分解污染物在河道中分布的影響。.彎曲河道污染物數(shù)值模擬的意義隨著計算機技術和計算方法的開展，復雜的工程問題可以采用離散化的數(shù)值計算方法并借助計算機得到滿足工程要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術是現(xiàn)代工程學構成和開展的重要動力之一。經(jīng)過計算機模擬污染物在彎曲河道的分布情況，具有以下重要意義：掌握水環(huán)境內(nèi)部因子的變化規(guī)律；對污染物的變化進展定性和定量的表述；提高水污染治理的規(guī)劃管理任務的效率；分析和預測污染物對水質(zhì)的影響，從而采取有效措施去減少污染物對水環(huán)境的危害。數(shù)值計算模型.水質(zhì)模型的引見 任何水質(zhì)模型都是根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒和能量

28、守恒原理,經(jīng)過流膂力學中的延續(xù)方程、運動方程、能量方程推導得出;如思索水質(zhì)組分間的相互作用及其本身生化作用影響,可以得出更加全面、綜合的水質(zhì)模型.目前河流水質(zhì)模型主要采用數(shù)值模型，物理模型及模擬模型。其中數(shù)值模擬技術的運用為污染后水質(zhì)的快速分析和處置處置提供籠統(tǒng)直觀的決策支持工具。數(shù)值模擬因其具有物理模擬和模型模擬所無法比較的經(jīng)濟性、靈敏性和順應性, 成為一種常用、有效的模擬方式。計算機技術的開展,計算方法的不斷改良,以及前處置和后處置技術的提高促進了數(shù)值模擬技術在工程中的廣泛運用，也推進數(shù)學模擬準確度、可靠度不斷提高。數(shù)值模擬技術可以在較大的區(qū)域內(nèi)研討工程問題,抑制了物理模型的比尺效應;可以

29、方便快捷地進展多方案比選,具有周期短、本錢低的優(yōu)勢;可以廣泛地進展規(guī)律性的討論,添加工程研討的科學性.數(shù)學模型開展歷史數(shù)學模型按不同的規(guī)范有不同的分類，假設以空間的維數(shù)來劃分有零維、一維、二維及三維模型。始于二十世紀初早期的模型如污染物衰減的動力學方程及 Streeter-Phelps的氧平衡模型為簡單的零維或一維模型。雖然很早就確立了污染物遷移的三維模型微分方程，由于其求解，特別是對于與之相關的含湍流的流體的 Navier-Stokes方程求解的困難，上世紀七十年代之前的水質(zhì)數(shù)學模型多停留在一維及一些具簡單幾何外形及特殊邊境條件的有解析解的二、三維模型。這些模型除了上述的幾何外形及特殊邊境條

30、件的限制外，還需假定知水體為均勻流速。其后隨著計算機技術及計算流膂力學的開展，涌現(xiàn)了一大批基于數(shù)值計算的可運用至復雜幾何外形的水體水質(zhì)模擬的二、三維模型。由于通用三維模型的復雜性，現(xiàn)行研討的不少模型依然是基于二維淺水方程或深度平均方程，運用不同數(shù)值解法如通量向量分裂法FVS、格子 Boltzmann法(LBM)等 。這些方法雖然可以一定程度地滿足水質(zhì)分析的需求，但也存在一些缺陷，如不能解析邊境層及污染物在深度方向上的變化，模擬的精度很大程度地依賴經(jīng)過閱歷或實驗確定的橫向及縱向的紊流及彌散分散系數(shù)等。本課題中所建立的基于三維不可緊縮流體 Navier-Stokes方程和湍流 k-模型的重力流及污

31、染物數(shù)值計算的數(shù)學模型可以很好地抑制深度平均模型的上述缺陷，準確模擬污染物濃度在河流的彎曲度分布情況和三維空間及時間上的變化情況。. 三維模擬污染物分散控制方程運用不可緊縮流體的Navier-Stokes方程，構建流體運動的力學模型。水流運動的質(zhì)量和動量守恒的方程分別如下： . . 其中ui是坐標軸xi方向的雷諾平均速度，t為時間，p為壓強，和分別為液體密度、粘度， t 為渦粘度。思索到污染物和環(huán)境液體的密度不同，進展了浮力項修正的規(guī)范k-模型被用來模擬湍流動能k及湍流耗散速率。渦粘度依下式求得 (.)第k(k=,)污染物濃度的傳輸方程為： (.) 式中sk 為第k種粒子狀污染物在水中的下沉速

32、度，對可溶性污染物，其值為零；為克羅內(nèi)克符號， t 為運動渦粘度，Sc為施密特數(shù)。.模型邊境條件邊境條件包括流動變量和熱變量在邊境處的值。它是FLUENT分析得很關鍵的一部分。 邊境條件的分類：進出口邊境條件：壓力、速度、質(zhì)量進口、進風口、進氣扇、壓力出口、壓力遠場邊境條件、質(zhì)量出口、通風口、排氣扇；壁面、repeating, and pole boundaries:壁面，對稱，周期，軸；內(nèi)部單元區(qū)域：流體、固體(多孔是一種流動區(qū)域類型) ；內(nèi)部外表邊境：風扇、散熱器、多孔騰躍、壁面、內(nèi)部等。下面引見常見的幾種邊境條件。()速度入口(velocity-inlet)：給出入口邊境上的速度。給定入

33、口邊境上的速度及其他相關標量值。該邊境條件適用于不可壓速流動問題，對可緊縮問題不適宜，否那么該入口邊境條件會使入口處的總溫或總壓有一定的動搖。 ()壓力入口(pressure-inlet)：給出入口邊境上的總壓。 壓力入口邊境條件通常用于流體在入口處的壓力為知的情形，對計算可壓和不可壓問題都適宜。壓力進口邊境條件通常用于進口流量或流動速度為未知的流動。壓力入口條件還可以用于處置自在邊境問題。 壓力入口條件需求輸入的參數(shù)有總壓、總溫、流動方向、靜壓、湍流量(用于湍流計算)、輻射參數(shù)(思索輻射)、化學組分質(zhì)量分數(shù)(思索化學組分)、混合分數(shù)及其方差(用PDF熄滅模型)、progress variab

34、le(預混熄滅計算)、離散相邊境條件(稀疏相計算)及第二相體積分數(shù)(多相計算)等。 ()質(zhì)量入口(mess-flow-inlet)：給出入口邊境上的質(zhì)量流量。 質(zhì)量入口邊境條件主要用于可緊縮流動；對于不可緊縮流動，由于密度是常數(shù)，可以用速度入口條件。質(zhì)量入口條件包括兩種：質(zhì)量流量和質(zhì)量通量。質(zhì)量流量是單位時間內(nèi)經(jīng)過進口總面積的質(zhì)量。質(zhì)量通量是單位時間單位面積內(nèi)經(jīng)過的質(zhì)量。假設是二維軸對稱問題，質(zhì)量流量是單位時間內(nèi)經(jīng)過弧度的質(zhì)量，而質(zhì)量通量是經(jīng)過單位時間內(nèi)經(jīng)過弧度的質(zhì)量。給定入口邊境上的質(zhì)量流量，此時部分進口總壓是變化的，用以調(diào)理速度，從而到達給定的流量，這使得計算的收斂速度變慢。所以，假設壓力

35、邊境條件和質(zhì)量邊境條件都適用時，應優(yōu)先選擇用壓力入口邊境條件。對于不可壓速流動，由于密度是常數(shù)，可以選擇用速度進口邊境條件。 ()壓力出口(pressure-outlet)：給定流動出口邊境上的靜壓。 對于有回流的出口，該邊境條件比outflow邊境條件更容易收斂。給定出口邊境上的靜壓強(表壓強)。該邊境條件只能用于模擬亞音速流動。假設當?shù)厮俣仍?jīng)超越音速，該壓力在計算過程中就不采用了。壓力根據(jù)內(nèi)部流動計算結果給定。其他量都是根據(jù)內(nèi)部流動外推出邊境條件。該邊境條件可以處置出口有回流問題，合理的給定出口回流條件，有利于處理有回流出口問題的收斂困難問題。 出口回流條件需求給定：回流總溫(假設有能量

36、方程)、湍流參數(shù)(湍流計算)、回流組分質(zhì)量分數(shù)(有限速率模型模擬組分輸運)、混合物質(zhì)量分數(shù)及其方差(PDF計算熄滅)。假設有回流出現(xiàn)，給定的表壓將視為總壓，所以不用給出回流壓力?；亓髁鲃臃较蚺c出口邊境垂直。在出口壓力邊境條件給定中，需求給定出口靜壓(表壓)。當然，該壓力只用于亞音速計算。假設部分變成超音速，那么根據(jù)前面來流條件外推出口邊境條件。需求特別指出的是，這里的壓力是相對于前面給定的任務壓力。 ()無窮遠壓力邊境(pressure-far-field)：該邊境條件用于可緊縮流動。 假設知道來流的靜壓和馬赫數(shù)，F(xiàn)LUENT提供了無窮遠壓力邊境條件來模擬該類問題。該邊境條件適用于用理想氣體定

37、律計算密度的問題。定邊境靜壓和溫度及馬赫數(shù)?？梢允莵喴羲?、跨音速或者超音速。并且需求給定流動方向，假設有需求還必需給定湍流量等參數(shù)。無窮遠壓力邊境條件是一種不反射邊境條件。 ()自在出流(outflow)：對于出流邊境上的壓力或速度均為未知的情形，可以選擇自在出流邊境條件。 這類邊境條件的特點是不需求給定出口條件(除非是計算分別質(zhì)量流、輻射換熱或者包括顆粒稀疏相問題)。出口條件都是經(jīng)過FLUENT內(nèi)部計算得到。但并不是一切問題都適宜，但含壓力進口條件，可緊縮流動問題，有密度變化的非穩(wěn)定流動問題(即使是不可緊縮流動)時不可用。用出流邊境條件時，一切變量在出口處分散通量為零。即出口平面從前面的結果

38、計算得到，并且對上游沒有影響。計算時，假設出口截面通道大小沒有變化，采用完全開展流動假設。當然，在徑向允許有梯度存在，只是假定在垂直出口面方向上分散通量為零。()對稱邊境(symmetry)：對稱邊境條件適用于流動及傳熱場是對稱的情形。在對稱軸或者對稱平面上，既無質(zhì)量的交換，也無熱量等其他物理量的交換，因此垂直于對稱軸或者對稱平面的速度分量為零。在對稱軸或者對稱平面上，一切物理量在其垂直方向上的梯度為零。因此在對稱邊境上，垂直于邊境的速度分量為零，任何量的梯度也為零。計算中不需求給定任何參數(shù)，只需求確定合理的對稱位置。該邊境條件可用于黏性流中運動邊境處置。()周期性邊境(periodic)。假

39、設他們關懷的流動，其幾何邊境，流動和換熱是周期性反復的，那么可以采用周期性邊境條件。FLUENT提供了兩種類型：一類是流體經(jīng)過周期性反復后沒有壓降(cyclic)；另外一類有壓降(periodic)。() 固壁邊境(wall)。對于黏性流動問題，F(xiàn)LUENT默許設置是壁面無滑移條件。對于壁面有平移運動或者旋轉運動時，可以指定壁面切向速度分量，也可以給出壁面切應力從而模擬壁面滑移。根據(jù)流動情況，可以計算壁面切應力和與流體換熱情況。壁面熱邊境條件包括固定熱通量、固定溫度、對流換熱系數(shù)、外部輻射換熱、外部輻射換熱與對流換熱等。() )進口通風(inlet vent)：進口通風邊境條件需求給定入口損失

40、系數(shù)、流動方向和進口環(huán)境總壓和總溫。對于進口通風模型，假定進口風扇無限薄，通風壓降正比于流體動壓頭和用戶提供的損失系數(shù)。() )進口風扇(intakefan)：進口風扇邊境條件需求給定壓降、流動方向和環(huán)境總壓和總溫。假定進口風扇無限薄，并且有不延續(xù)的壓力升高，壓力升高量是經(jīng)過風扇速度的函數(shù)。假設是反向流動，風扇可以看成是通風出口，并且損失系數(shù)為。壓力階躍可以是常數(shù)，或者是流動方向垂直方向上速度分量的函數(shù)方式。( )出口通風(outletvent)。出口通風邊境條件用于模擬出口通風情況，并給定一個損失系數(shù)以及環(huán)境(出口)壓力和溫度。排出風扇給定損失系數(shù)和環(huán)境靜壓和靜溫。出口通風邊境條件需求給定如

41、下參數(shù)：靜壓、回流條件、輻射參數(shù)、離散相邊境條件、損失系數(shù)。.數(shù)值計算方法本課題中采用的數(shù)值模擬的根本方法為Ferziger and Peric() 所描畫的適用于非正交網(wǎng)格的有限體積元法FV。該方法的優(yōu)點是可使模型方程堅持其原始方式且各離散項都有明晰的物理意義,有助于進一步分析和編程。對模型方程的對流項采用近似于二階精度的中心離散及迎風格式的混合法，分散項的濃度梯度按具有二次精度的高斯定理計算。對非恒定項采用二階精度隱式方案。在對守恒方程的各項離散后，任何一個網(wǎng)格單元中心最終的離散方程式可寫成一個線性方程式，對整個模擬區(qū)域的網(wǎng)格線性離散后即得到一線性方程組。然后運用收斂快的迭代數(shù)值求解該線性

42、方程組，求得未知變量。數(shù)值計算的關鍵之處在于制造網(wǎng)格，然后再倒入Fluent軟件進展詳細的計算。FLUENT是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。它提供的非構造網(wǎng)格生成程序，對復雜的幾何構造網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT還可以根據(jù)計算結果對網(wǎng)格進展調(diào)整，這對于準確求解有較大的梯度的流場有很實踐的效果。由于網(wǎng)格自順應和調(diào)整值在加密區(qū)實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約時間。利用FLUENT軟件進展流體流動的模擬計算。首先利用GAMBIT進展流動區(qū)域幾何外形的構建，邊境類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于用于FLUENT求解器計算公式的格式；然后利用FLUENT進展計算，其中求解器是流體計算的中心，一切計算在

43、此完成，主要功能是導入前處置器生成的網(wǎng)格模型，提供計算的物理模型，確定資料的特性，施加邊境條件，完成計算并進展計算構造的后續(xù)處置。后處置軟件是從各個方面察看流體計算結果。FLUENT程序可以求解可緊縮和不可緊縮流動、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動、牛頓流體和非牛頓流體 慣性坐標系和非慣性坐標系下的流動模擬、兩相流、復雜外表外形下的自在流動等問題。在本課題中，運用FLUENT求解和模擬不可緊縮流。.模擬預期結果本課題中基于不可緊縮流體的RANS方程和湍流k-模型建立的關于污染物及堆積物在水體中遷移的二維和三維動力學模型，選取度、度和度三種河道彎度對不可分解污染物的分布情況進展驗證，并最終得出所需求的數(shù)據(jù)以及污染

44、物在不同彎曲度分布情況較為準確的特征。 河道各段數(shù)據(jù)計算.河道各段數(shù)據(jù)和計算公式 本課題研討對象為天然河道的彎曲度對污染物在彎曲河道內(nèi)的分布特征的影響。在本次設計中分別選取了度，度，度三種不同彎曲度的河道進展研討。河道的斷面尺寸如以下圖所示： 圖. 河道斷面尺寸圖河道橫向坐標用下面的公式進展計算： ds=/網(wǎng)格數(shù) =*sin(x-xo)/) =m =度，度，度 x(i)=x(i-)+ ds*cos(i-) y(i)=y(i-)+ ds*sin(i-) z(i)= y(i-)- ds*坡度 坡度=./=.河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算 河流橫向長度取m,其中前m為直河道，河道取兩個正弦彎曲河道，=

45、m，彎曲河道后為m直河道。如以下圖所示。 圖. 度彎曲河道橫向斷面圖 由于河道的前四十米和后五十米為直河道，故不需求對其進展坐標計算，只需求對兩個正弦彎曲河道的坐標進展計算。在x軸方向上，取一米長為一個計算單位，代入公式進展計算。河道各點坐標的計算結果見附表。.河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算河道橫向圖如下所示。 圖. 度彎曲河道橫向斷面圖 河道各坐標的計算方法同彎曲度為度的河道，各坐標的計算結果見附表。.河道彎曲度為度的河道數(shù)據(jù)計算 河道橫向表示圖如下所示。 圖. 度彎曲河道橫向斷面圖河道各坐標的計算方法同彎曲度為度的河道，各坐標的計算結果見附表。 基于Gambit和Fluent技術下二維河道的

46、模擬.Gambit軟件和Fluent軟件的引見及其特點GAMBIT是為了協(xié)助 分析者和設計者建立并網(wǎng)格化計算流膂力學CFD模型和其它科學運用而設計的一個軟件包。GAMBIT經(jīng)過它的用戶界面GUI來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等根本步驟。GAMBIT軟件具有以下特點：ACIS內(nèi)核根底上的全面三維幾何建模才干，經(jīng)過多種方式直接建立點、線、面、體，而且具有強大的布爾運算才干；可對自動生成的Journal文件進展編輯，以自動控制修正或生成新幾何與網(wǎng)格；可以導入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大

47、多數(shù)CAD/CAE軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導入過程新增自動公差修補幾何功能，以保證GAMBIT與CAD軟件接口的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕任務量；新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得導入過程更加直接和方便；強大的幾何修正功能，在導入幾何時會自動合并重合的點、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補尖角、去除小面、去除單獨輔助線和修補倒角時更加快速、自動、靈敏，而且準確保證幾何體的精度；強大的網(wǎng)格劃分才干，可以劃分包括邊境層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。GAMBIT中公用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格；

48、先進的六面體中心(HEXCORE)技術是GAMBIT所獨有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非構造網(wǎng)格的優(yōu)點，運用該技術劃分網(wǎng)格時更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量；居于行業(yè)領先位置的尺寸函數(shù)Size function功能可運用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過渡與分布更加合理，最大限制地滿足CFD分析的需求；GAMBIT可高度智能化地選擇網(wǎng)格劃分方法，可對極其復雜的幾何區(qū)域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格延續(xù)的完全非構造化的混合網(wǎng)格；可為FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和導出所需求的網(wǎng)格和格式。FLUENT軟件是用來模擬從不可緊縮到高度可緊縮

49、范圍內(nèi)的復雜流動的CFD商業(yè)軟件包。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，因此FLUENT能到達最正確的收斂速度和求解精度。靈敏的非構造化網(wǎng)格和基于解的自順應網(wǎng)格技術及成熟的物理模型，使FLUENT在轉捩與湍流、傳熱與相變、化學反響與熄滅、多相流、旋轉機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、資料加工、燃料電池等方面有廣泛運用。FLUENT軟件具有以下特點：FLUENT軟件采用基于完全非構造化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元的梯度算法； 定常/非定常流動模擬，而且新增快速非定常模擬功能； FLUENT軟件中的動/變形網(wǎng)格技術主要處理邊境運動的問題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運動壁面的邊境條

50、件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。網(wǎng)格變形方式有三種：彈簧緊縮式、動態(tài)鋪層式以及部分網(wǎng)格重生式。其部分網(wǎng)格重生式是FLUENT所獨有的，而且用途廣泛，可用于非構造網(wǎng)格、變形較大問題以及物體運動規(guī)律事先不知道而完全由流動所產(chǎn)生的力所決議的問題； FLUENT軟件具有強大的網(wǎng)格支持才干，支持界面不延續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動/變形網(wǎng)格以及滑動網(wǎng)格等。值得強調(diào)的是，F(xiàn)LUENT軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自順應、動態(tài)自順應技術以及動網(wǎng)格與網(wǎng)格動態(tài)自順應相結合的技術； FLUENT軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的； FLUENT軟件包含豐富而先進的物理

51、模型，使得用戶可以準確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型組、k-模型組、雷諾應力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分別渦模擬(DES)和VF模型等。另外用戶還可以定制或添加本人的湍流模型； 適用于牛頓流體、非牛頓流體； 含有強迫/自然/混合對流的熱傳導，固體/流體的熱傳導、輻射； 化學組份的混合/反響； 自在外表流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型； 融化溶化/凝固；蒸發(fā)/冷凝相變模型； 離散相的拉格朗日跟蹤計算； 非均質(zhì)浸透性、慣性阻抗、固體熱傳導，多孔介質(zhì)模型思索多孔介質(zhì)壓力突變；

52、 風扇，散熱器，以熱交換器為對象的集中參數(shù)模型； 慣性或非慣性坐標系，復數(shù)基準坐標系及滑移網(wǎng)格； 動靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面； 基于精細流場解算的預測流體噪聲的聲學模型； 質(zhì)量、動量、熱、化學組份的體積源項； 豐富的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫； 磁流體模塊主要模擬電磁場和導電流體之間的相互作用問題； 延續(xù)纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動之間的動量、質(zhì)量以及熱的交換問題； 高效率的并行計算功能，提供多種自動/手動分區(qū)算法；內(nèi)置MPI并行機制大幅度提高并行效率。另外，F(xiàn)LUENT特有動態(tài)負載平衡功能，確保全局高效并行計算； FLUENT軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發(fā)接口UDF。 .不同

53、彎曲度河流的二維溫度模擬 污染物和水的各種物理和化學特性是不同的，例如溫度，密度，酸堿度等。在研討污染物在彎曲河道的分布情況之前，可先用溫度模擬污染物在河流中的變化情況。.河道彎曲度為度二維模擬選取X-Y面為基準面，將度彎曲河道的計算結果倒入到文本文檔，只取x和y方向的數(shù)據(jù)，z方向均為零。再將文本文檔里的數(shù)據(jù)倒入到gambit軟件中，繪制出如下度彎曲河道的二維網(wǎng)格圖。 圖. 度彎曲河道二維網(wǎng)格圖在X-Y坐標面上的網(wǎng)格數(shù)為*，并對河道兩邊進展加密處置。在河流的入口端用gambit中的split功能在河流中心劃分出一個污染物入口，定義為入口inlet，其他兩端入口定義為水流入口inlet。河流出口

54、定義為出口outlet。最后生成可以導入fluent計算的mesh文件。 利用Fluent求解器求解mesh文件的步驟如下：.Fluent求解器的選擇選二維單精度求解器。.文件的倒入和網(wǎng)格操作()Filereadcase(讀入網(wǎng)格文件)；()Gridcheck(檢查網(wǎng)格文件)；()Gridscale(設置計算區(qū)域尺寸)；()Displaygrid(顯示網(wǎng)格)。.選擇計算模型()Definemodelsolver(求解器的定義)；()DefinemodelEnergy(選定能量計算模型)；()Defineoperation conditions(操作環(huán)境的設置)；()Definematerial

55、s(定義流體的物理性質(zhì))；()Defineboundary conditions(設置邊境條件)。.求解方法的設置及其控制 ()Slovecontrolssolution(求解參數(shù)的設置)； ()Sloveinitizlizeinitialize(初始化)； ()Solvemonitorsresidual(翻開殘差圖)；()Filewritecase&data(保管當前文件)；()Sloveinterate(開場迭代)。.計算結果顯示: Displaycontours(顯示模擬輪廓線).保管計算后的文件：Filewritecase&data. 經(jīng)過Fluent求解器處置后，可以得到污染物溫度在

56、河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。 圖.a 溫度迭代圖 圖.b 污染物溫度變化圖 . 河道彎曲度為度和度的彎曲河道操作步驟一樣，繪制出度彎曲河道網(wǎng)格圖如下所示： 圖. 度彎曲河道二維網(wǎng)格圖 X-Y坐標面上的二維網(wǎng)格數(shù)為*，河道兩邊進展了加密處置。生成了mesh文件后倒入Fluent求解器進展計算，得到污染物溫度在河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。 圖.a 溫度迭代圖 圖.b 污染物溫度變化圖.河道彎曲度為度和度的彎曲河道操作步驟一樣，繪制出度彎曲河道網(wǎng)格圖如下所示： 圖. 度彎曲河道二維網(wǎng)格圖 X-Y坐標面上的二維網(wǎng)格數(shù)為*，河道

57、兩邊同樣進展了加密處置。生成了mesh文件后倒入Fluent求解器進展計算，得到污染物溫度在河流中的變化情況。污染物溫度迭代效果圖和污染物溫度變化圖如下所示。 圖.a 溫度迭代圖 圖.b 污染物溫度變化圖 .二維溫度模擬結果分析 從三種彎曲度的河道得到的污染物溫度變化圖可以看出，河道彎曲度影響污染物的分散速度。彎曲度越大，污染物分散的越快，度彎曲河道中，污染物流過第一個彎道后才逐漸分散開來；度彎曲河道中，污染物剛剛流到第一個河道彎曲處就幾乎完全分散開來；度彎曲河道中，污染物在第一個河道彎曲處之前就曾經(jīng)完全分散開來了。 .不同彎曲度河流的二維速度和密度模擬.不同河道彎曲度流速變化分析將溫度網(wǎng)格圖

58、生成的mesh文件導入Fluent求解器中，在定義污染物和水的混合物與溫度有所不同，詳細操作如下： Definemodelspeciestransport&reaction選取混合物模型； Definematerials自定義污水性質(zhì)，污水密度定位kg/m，其他性質(zhì)和水一樣； 再反復Definemodelspeciestransport&reaction的操作，將混合物的調(diào)為水和污水； DefinemodelEnergy關掉能量方程。 經(jīng)過Fluent求解器處置后，可以得到污染物在河流中分散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污染物在河流中的速度圖和污染物分散變化圖如下所示。 圖.a 度彎曲河道

59、污染物密度迭代效果圖 圖.b 度彎曲河道流速分布圖 圖.c 度彎曲河道流速矢量圖將計算溫度的度網(wǎng)格生成的mesh文件導入Fluent求解其中，詳細操作步驟與度彎曲河道一樣，經(jīng)過Fluent求解器處置后，可以得到污染物在河流中分散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污染物在河流中的速度圖和污染物分散變化圖如下所示。 圖.d 度彎曲河道污染物密度迭代效果圖 圖.e 度彎曲河道流速分布圖 圖.f 度彎曲河道流速矢量圖 將計算溫度時的度網(wǎng)格生成的mesh文件導入Fluent求解其中，詳細操作步驟與度彎曲河道一樣，經(jīng)過Fluent求解器處置后，可以得到污染物在河流中分散的變化情況。污染物密度迭代效果圖，污

60、染物在河流中的速度圖和污染物分散變化圖如下所示。 圖.g 度彎曲河道污染物密度迭代效果圖 圖.h 度彎曲河道流速分布圖 圖.i 度彎曲河道流速分布圖矢量圖從三種彎曲度河道的流速和分布圖可以明晰地看到，河流彎曲度對水流速度影響很大。在度彎曲河道的密度分布中，由于彎曲度較小，整體流速變化較小，只在河道彎曲處產(chǎn)生流速的變化，而且變化較小。如圖圖.b所示。當彎曲度增大時，可以明顯看到流速的變化。在河流的轉彎處會產(chǎn)生死水區(qū)和回水區(qū)，這里的流速很小。但在死水區(qū)和回水區(qū)的對岸，由于河道發(fā)生彎曲，是這一地域的水流速度增大。從度彎曲河道可以很明顯的看到流速的分布圖，如圖.e所示。當河流彎曲度繼續(xù)增大時，水流流速