流体动力学总结

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。

•例如稀释、扩散、迁移、沉降、挥发和悬浮等

•（2）化学与物理化学作用：污染物质在随水流运动的过程中多以离子和分子状态存在，并发生一系列化学反应，改变污染物质的存在形态，污染物质发生迁移转化。

•（3）生物与生物化学作用：污染物质在水中受到生物的生理、生化作用，通过食物链传递发生分解、转化和富集，使水质净化或水质恶化。

水体污染的特点

•溶解氧下降

•水生生态系统改变

•毒性增强

水体污染的危害

•影响水生生物和人体健康

•影响渔业和工、农业生产

•损坏旅游资源

•加剧水资源短缺，并引发其他社会问题

研究内容

●传统水力学主要是研究水流自身运动规律

●环境水力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律，是传统水力学的一种发展，

又属于流体力学的范畴

●内容涉及水力学、环境学、水化学、水生物学等，是一门综合性很强的交叉学科

水力学研究洁净水流的运动，环境水力学研究污染物质在水体中的扩散输移规律。

广义的环境水力学研究一切和水体有关的水力学问题，包括水污染、水生态、水土

保持、河道变形以及水利工程对环境的影响等等。

污染物质进入水体后，发生溶解、扩散或由于水流运动发生随流输移，而扩展其影响范围，无论对于哪一类环境问题，了解污染物质的扩散、输移规律是研究水环境问题的基础。

狭义的环境水力学主要研究当污染物投放于纳污水域中，由于扩散、输移所造成的

污染物浓度随空间和时间的变化规律，为水质规划、环境管理和水资源开发利用提供科学依据。

环境水力学：研究水中所含物质的运动

传统水力学：研究水流自身的运动

示踪物质是指在水体内扩散和输移时不发生化学和生化反应的物质，并且它的存在不影

响流动特性。

研究示踪物质的扩散输移规律，是研究污染物扩散输移问题的一种简化模型。

本课程的研究对象：示踪物质在水体中的扩散输移规律，这是研究水环境问题的基础。

研究方法

•理论分析方法

理论分析方法揭示了流体和污染物运动的物理本质和各物理量之间的内在联系，具有重要的指导意义和普遍适用性，但对于复杂流动问题，难以直接求得解析解，因此要借助其他研究方法。

•实验模拟方法

现场模拟和实验室模拟，是获得感性认识的基本途径，是发现、发展、检验理论和科技成果的实践基础，缺点是成本高、量测方法受限，模型实验结果缺乏通用性。

•数值模拟方法

数值模拟方法通用性好，但是必须以理论分析方法获得的数学模型为基础，其结果需要实验和实践的检验。

根据流体力学和污染物迁移转化规律，建立数学模型，在一定的边界条件下和初始条件下，对水流运动和污染物变化进行数值分析。

三种研究方法相辅相成，互为补充

物质在水体内迁移的主要方式

1分子扩散

分子扩散指分子随机运动（布朗运动）引起物质迁移。

分子扩散的速度与物质的性质、物质的浓度梯度以及温度或压力等外界因素有关。

在大尺度的环境中（实际流动中，地下水流动除外），与其他原因相比，分子扩散所引起的物质迁移通常忽略不计。

分子扩散的费克定律，分子扩散方程

➢两种不同物质通过它们的分子运动而互相渗透的现象称为分子扩散。

➢物质的分子扩散可以借助四种推动力发生：浓度梯度、温度梯度、压力梯度或其他作用力梯度。由这些不同原因而引起的扩散分别称为：浓度扩散、温度扩散、压力扩散和强制扩散。

实际问题中，污染物扩散过程中分子扩散所占的比重通常很小，就分子扩散本身而言，除了微观的化学与生物反应外，在环境问题中并没有直接的重要意义。但是在许多情况下，环境中的污染物扩散与分子扩散有类似之处，其研究可借用分子扩散的基本思想

2随流输移

当流体在流动状态下，污染物可随流体质点的运动一起移至新的位置。

移流扩散方程

➢如果环境流体是流动的，示踪质除因分子扩散而发生迁移外，还会随流体质点一起流动而产生迁移，这种随流迁移现象称为移流输送（或随流传输）。

➢因此在流动的流体中，示踪质浓度的变化要把分子扩散和随流传输两部分都考虑在内。

3紊动扩散

流体作紊流流动时，随机的紊动所引起的污染物质的扩散，其强弱与水流的漩涡运动有关。

4剪切流离散