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例题7:
环境水力学ch4-2 Douglas.Lee
第四章剪切流的离散
已知矩形渠道,底宽B=10m,水深h=2m,糙率n=0.02,断面平均流速u=1m/s。 求Ex=?
解:利用谢才公式
u?C
?I?
u2
RIC2R
RI
? B?h
R???B?2h
C?1
n
ghIu ?
ghI
*
R16
表观分散系数
Ex?Kc?Ex?D?6.09hu*
u*?
Ex?6.09?
(1?2h)23
g nuh16
g nu
h16
9.8?0.02?1.0?256?(1?
9.8
2?2)23
10
?0.85023(m2/s)
第五节 天然河流中的分散和扩散
一、污染物进入河流的混合过程二、河流中的紊动扩散系数
三、河流中的二维混合四、横向浓度分布计算
一、污染物进入河流的混合过程
污染物进入河流的混合过程可分为三个阶段
第一阶段:从排出口或释放点到污染物在水深方向充分混合,称为竖向混合。第二阶段:横向扩散至整个过流断面;
第三阶段:横断面上开始充分混合以后的区域。
第一阶段
—---—竖向混合
污染物在随流向下游迁移过程中,同时在水深方向和河宽方向扩散。
这个阶段的混合过程比较复杂,与污水排出时的初始动量和浮力及排出口的位置等有关。
实际应用
对于浮力为中性、非射流排放的情况,竖向混合的长度与水深是成正比的,大致为排放处水深的几十倍到一百倍。其距离相对较短。
第二阶段
横向扩散至整个过流断面
污染物除了在水流方向输移外,在河宽方向继续作横向扩散。横向混合所需的长度要比竖向混合所需的长得多。
通常需要几公里,几十公里,对于大河甚至要上百公里。
第1页共1页
环境水力学ch4-2 Douglas.Lee
第三阶段
横断面上开始充分混合以后的区域。污染物主要在作随流输移。
这个阶段中,河流某断面上各点水质的浓度偏差远比各横断面间的断面平均浓度偏差小。
说 明
第一阶段和第二阶段称为混合区,混合区一般应用三维扩散方程求解。当求解第二阶段的浓度分布规律时,可用二维扩散方程简化求解。
第三阶段则可以简化为一维问题求解。
判别准则
一般离排污口的混合距离L大于下式计算值时,此后的区域可作为第三阶段。
1.8B2u
L?
ghI4Hu*
ghI
式中:B是河流平均宽度;u是河流平均流速;H是平均水深;u*是摩阻流速u*?
二、河流中的紊动扩散系数
紊动扩散系数可表示为
纵向 Ex??xhu*
横向 Ez??zhu*
垂向 Ey ??yhu* 式中:α称为无量纲紊动扩散系数。
垂向紊动扩散系数
雷诺假设:紊流脉动所引起的动量、质量、热量掺混交换作用是相似的。在讨论示踪质的混合问题时,认为质量交换系数和动量交换系数完全一样。
,I是河流水力坡降。
动量转换系数 ?
E ?
???? du
m ?du 层流下 dz
☆以二维明渠为例
dz 紊流下 ???E ?u
m?z
m
二维明渠的切应力在垂向呈直线分布,垂向任一点z处的切应力τ
???0
(1?z)
h
0渠底切应力 ? ??u2
0
*
u?
u*lnz?C?du
?u*1
二维明渠垂向流速分布
? dy ? z
(☆理论推
于是: E ?E
?u2(1?
? *
z) 导)
h ??u(1?z)z
z m ?u*1 * h
? z
可见,Ez在垂线上呈二次曲线分布,这已被Tobson和Sayre(1970)实验所证实。
幻灯片16
第2页共2页
(☆结果)
取κ=0.4,令则有
??zh
环境水力学ch4-2 Douglas.Lee
Ez??
1
??u*(1??)hd?
0
? 1?hu
6 *
?0.067hu*
可见,垂向紊动扩散系数Ez理论上与水深h成正比,与摩阻流速成正比。
横向紊动扩散系数
河流横向紊动扩散系数Ey的规律目前还不清楚。
费休(Fischer)统计矩形断面明渠
河道弯曲和两岸不规则
(实验结论)
Ey?0.15hu*
Ey?(0.4 ~0.9)hu*
前人实验后建议:
Ey?0.23hu*
Elder(1959)在顺直的实用的灌溉渠道中测得横向紊动扩散系数为
Rischer(1973)也在此类灌溉渠道中量得与上式相同的结果,但他指出,由于水流主泓线的摆动会使横向紊动扩散系数增大。
纵向
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