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波流环境中污染物混合的分析

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袁丽蓉[1,2] 沈永明[2] 唐军[2]

[1]中山大学广东省近岸海洋工程重点实验室,广东广州510275 [2]大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116023

水利学报
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国际标准刊号:ISSN 0559-9350
国内统一刊号:CN 11-1882

摘  要:

本文根据垂向二维数值模型计算求解和分析了波流环境中的一维对流扩散方程中的混合系数。此二维数值模型采用非线性κ-ε紊流模型封闭雷诺时均方程,应用VOF方法处理自由面。分析方法是用该二维模型计算波流环境中污染物瞬时源产生的浓度场,计算该浓度场的断面平均浓度,求此断面平均浓度的概率分布,由概率分布的方差随时间的导数得到一维对流扩散问题中的混合系数。通过算例分析,发现波流环境混合系数随着波浪周期和波高的不同,可能大于纯流和纯波的混合系数之和,也可能比纯流情况下小;波周期与混合系数呈正比。且存在一个使混合系数最大的波高。[著者文摘]

振荡流、潮流和波流环境等非稳态流环境中污染物的输移扩散问题受到研究者的广泛关注。卞振举和李玉梁¨ 对潮流的离散系数做了理论分析和实验研究,认为潮周期内的波动离散而不是剪切离散是影响潮流中污染物混合的主要因素。唐军等的实验研究表明波浪破碎及波生沿岸流对波浪破碎带内污染物的输移扩散具有显著影响。目前对于非破碎波浪环境的研究还不是很多,结论也很不统一,Fischer等的研究指出当振荡周期相对于污染物在深度方向扩散的时间尺度很小时,如果不考虑初始阶段,振荡对扩散的影响可以忽略。Law 通过理论分析研究了Lagrange余流对纵向离散系数的影响,得出随着日/v厂面的增大波浪对扩散的影响显著增加的结论(日为波高,D为扩散率,为波浪周期)。袁德奎等在用势波理论解析解得到自由面和速度场的基础上解二维对流扩散方程,得到波浪场中污染物迁移扩散情况,通过对污染物分布随时问变化的分析得到波浪环境中的离散系数。Law和袁德奎等的方法存在的问题是求解混合系数的过程强烈地依赖扩......

文章出处:

《水利学报》-2007年38卷3期 -260-266页

Journal of Hydraulic Engineering

分 类 号:

X143 TV131

文献标识码:

A

文章编号:

0559-9350(2007)03-0260-07

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[参考文献]

Analysis on the mixing of pollutants in water current combining with waves

YUAN Li-rong, SHEN Yong-ming , TANG Jun (1Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China ;2. Dalian University of Technology , Dalian 116023, China )

Abstract:

The nonlinear κ-ε turbulence model and VOF method is combined to numerically solve the vertical 2-D time average equation for pollution transportation. By using this method the spatial distribution and temporal variation of velocity field, diffusion coefficient and pollution concentration distribution due to waves, current or the combination of wave and current can be solved. The probability distribution of average pollutant concentration in cross section under the condition of current combining with waves is calculated based on the instant distribution of pollutants. The mixing coefficient for 1-D calculation is deduced from the derivative of variance of probability distribution. The calculation example shows that under the condition of current combining with waves the mixing coefficient varies with the period and height of waves and will larger than the sum of the mixing coefficients corresponding to the cases only current flow or only waves is existed. The mixing coefficient is positively proportion to wave period and a maximum related to wave height may exist.[著者文摘]

Key words:

mixing; wave combining with current ; turbulence model; VOF method ; pollutant concentration

收稿日期: 2005-12-20

基金资助:

国家自然科学基金项目(50579005);国家自然科学基金重点项目(10332050);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2005CB724202)

作者简介:

袁丽蓉(1976-),女,湖南邵阳人,博士,主要从事环境水力学方面的研究。E-mail:yuanlr@mail.sysu.edu.cn

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