暢流活水凈化動(dòng)力學(xué)行為分析

靳垚, 孫洪廣, 王連

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院, 南京 210098)

隨著城市化進(jìn)程的加快,水體正遭受不同程度的污染,盡管近年來中國已經(jīng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的綜合保護(hù),但是河流湖泊等生態(tài)系統(tǒng)依然沒有得到更好的改善,城市發(fā)展與城市水環(huán)境之間的矛盾越來越突出,水環(huán)境治理迫在眉睫[1-2]?，F(xiàn)階段,水環(huán)境治理主要分為人工凈化和水體自凈化[3-4]。相較于人工凈化,水體自凈化在不改變?cè)兴h(huán)境的前提下,會(huì)建立自然水生態(tài)系統(tǒng),使水生態(tài)自然循環(huán)以提高凈化效果,從而形成穩(wěn)定的自然水生態(tài)系統(tǒng)[5]。

在水體凈化方面,暢流活水是污染治理常用的水環(huán)境治理措施[6-7]。暢流活水通過注入活水,更新河道或池塘的水流,來促進(jìn)水體的自凈化,可在短時(shí)間內(nèi)快速改善城市河網(wǎng)水動(dòng)力條件及水質(zhì)情況[8],在經(jīng)濟(jì)和維護(hù)水環(huán)境穩(wěn)定性方面都有很好的前景。水體的自凈能力,實(shí)際上就是指污染物進(jìn)入水體后,受到水中的物理、化學(xué)與生物作用,其濃度會(huì)降至最低,在一定程度上恢復(fù)水質(zhì)[9]。暢流活水會(huì)使原本流場產(chǎn)生劇烈變化,加劇水體的運(yùn)動(dòng),促進(jìn)其中的物理凈化作用;其次,波動(dòng)的水體會(huì)與空氣產(chǎn)生交互,增加水中的溶解氧含量,促進(jìn)其中的化學(xué)和生物作凈化用。常見的反映區(qū)域水體的自凈能力的影響因素[10-11]有河流流速、脈動(dòng)強(qiáng)度或湍流強(qiáng)度、水文條件、泥沙特性等。因此,可以以流場內(nèi)的流速分布以及湍流強(qiáng)度來判別暢流活水對(duì)水體自凈能力的影響。

日本是國際上最早通過暢流活水方式改善河流水體水質(zhì)環(huán)境的國家。20世紀(jì)60年代,日本通過調(diào)用活水注入受污染的河流湖泊,成功改善了二戰(zhàn)后受到嚴(yán)重污染的水環(huán)境[12]。中國作為水資源大國,在多地都實(shí)施了暢流活水工程。中國常州市通過實(shí)施暢流活水工程,科學(xué)利用長江優(yōu)質(zhì)水源,優(yōu)化水利工程調(diào)度,增加了城區(qū)河道水動(dòng)力條件,引清入城,提高了城區(qū)河道水環(huán)境容量[13-14]。為改善中國泰州市區(qū)域河流的水環(huán)境,通過高港樞紐從長江引水,實(shí)施暢流活水治理方案。在非汛期有效改善了重要河道的化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù),在汛期還增強(qiáng)了對(duì)氨氮的改善[15]。Zhou等[16]分析了寧波市鄞西河流域?qū)嵤沉骰钏蟮奈廴疚餄舛茸兓?得到暢流活水是改善水質(zhì)的有效措施,并且,最佳的轉(zhuǎn)移模式是排水后分流。上海中心城區(qū)蕰南水利控制片也通過合理地調(diào)動(dòng)活水,改善了平原河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力不足、水流往復(fù)的現(xiàn)象[17]。

近年來,對(duì)流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)在各個(gè)工程領(lǐng)域變得越來越普遍。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,一維[18-19]及二維[20-22]數(shù)學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于河流、海岸、湖泊等的水動(dòng)力、水質(zhì)問題研究中。但是大多數(shù)研究都是直接基于水質(zhì)方面考察污染物濃度問題,較少研究其流場變化。尚未有利用FLUENT分析水質(zhì)處理過程水體變化仿真模擬研究的報(bào)道。

綜上所述,現(xiàn)利用FLUENT軟件分別建立了二維水動(dòng)力模型和三維水動(dòng)力模型,以流場中流速、壓力以及湍流強(qiáng)度為指標(biāo),設(shè)置了三種不同進(jìn)水位置的活水暢流的工況,進(jìn)行了數(shù)值模擬。本研究旨在模擬河流或大型湖泊等水動(dòng)力作用強(qiáng)烈的水體開展促進(jìn)水質(zhì)自凈化過程模擬,通過模擬注水過程中流場的變化,分析流場內(nèi)的流速分布、壓力分布以及湍流強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù),從水動(dòng)力學(xué)方面研究不同注水位置對(duì)水質(zhì)自凈化過程的影響。

1 數(shù)值模型

構(gòu)建物理模型后,流體視為不可壓縮流體,建立其流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,并通過離散化,線性迭代的方式求解。

連續(xù)性方程[23]:

(1)

N-S方程[23]:

(2)

湍動(dòng)能(k)方程[24]:

(3)

耗散率(ε)方程[24]:

(4)

式中:xi、xj為坐標(biāo)軸分量;ui、uj為流體流速;t為時(shí)間;P為流體壓力;ρ為流體密度;gi為重力加速度;μeff=μ1+μt,μ1為層流黏度,μt為湍流黏度;C1、C2、σk、σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

采用基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)計(jì)算,為了結(jié)果有一定的計(jì)算精度,使用Viscous中的Standardk-ε模型[25-26],引入了湍動(dòng)能(k)和耗散率(ε)方程,具有可靠、收斂性好、內(nèi)存需求低的優(yōu)點(diǎn)。選取SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations)算法,其壓力差值格式都設(shè)置為二階精度,對(duì)連續(xù)性方程和不可壓縮N-S方程求解。

2 二維模型模擬

由于現(xiàn)實(shí)生活中,大部分湖泊或河流的長度和寬度相較于深度要明顯大一個(gè)量級(jí),導(dǎo)致流場在深度方向上的變化不容易觀測。因此,先構(gòu)建了一個(gè)二維的小尺度模型,用以探究流場在深度方向上的變化規(guī)律。

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

二維模型為長度1 000 mm,深度600 mm的方形水池。分為工況A、B、C,對(duì)應(yīng)進(jìn)水口位置在上部,中部和下部的三個(gè)工況。進(jìn)水口單位面積100 mm2,分別位于液面下50、250、450 mm處,出口單位面積120 mm2,位于液面下50 mm處。以工況A為例,如圖1所示。

圖1 工況A二維模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division of two-dimensional model for condition A

2.2 邊界條件

本模型采用精確度更高的雙精度求解器計(jì)算,以連續(xù)性、各方向速度以及湍流中k和ε的殘差值作為收斂標(biāo)準(zhǔn),要求低于1×10-4(本文中二維和三維共計(jì)6個(gè)模型均為此標(biāo)準(zhǔn))。在邊界條件設(shè)置中,進(jìn)水口設(shè)置為速度入口;出水口和自由液面設(shè)置為壓力出口,參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓;底部和左右設(shè)置為固壁邊界,滿足無滑移邊界條件;垂直于平面的邊界設(shè)置為symmetry邊界。迭代次數(shù)為1 000次,各物理量均達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 流場分析

2.3.1 壓力分布

圖2所示為3種工況的壓力分布云圖。當(dāng)進(jìn)水口位于上部時(shí),在流場中后段的有一個(gè)明顯的負(fù)壓區(qū),說明在該區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)劇烈,摻混劇烈。流場其他區(qū)域壓力較為平均,變化不大,在出口附近出現(xiàn)最大壓力。當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),同樣在流場中后段出現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū),并且相較于工況A負(fù)壓更大,說明當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),該區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)更加劇烈。在進(jìn)水口下部分,出水口附近和水池角落處出現(xiàn)最大壓力,是由于流體從中部沖擊到壁面,在右側(cè)壁面的上部和下部產(chǎn)生回流導(dǎo)致。當(dāng)進(jìn)水口位于下部時(shí),上部流體大部分趨于靜止,流場壓力基本沒有太大變化,只有在流場中后段受到水流沖擊的壁面會(huì)產(chǎn)生最大壓力,以及在進(jìn)水口下部的小角落處,由于射流效應(yīng)和回流,出現(xiàn)較大的負(fù)壓。并且從圖2可以看到,三種工況在自由液面處均為負(fù)壓,并且通過計(jì)算自由液面的平均壓強(qiáng)后得到,A、B、C三種工況的壓強(qiáng)分別為-54.78、-15.20、-1.19 Pa。說明隨著進(jìn)水口位置的下移,自由液面處的流動(dòng)逐漸平緩,與空氣交互減弱。

圖2 各工況壓力分布圖Fig.2 Pressure distribution diagram of each working condition

2.3.2 流速分布

圖3為流場的流速分布云圖,圖4為流場的速度矢量圖,圖5為流場的流線圖。流線圖顯示了各工況的主流區(qū)。從流速分布云圖和速度矢量圖可以看出,當(dāng)進(jìn)水口位于上部時(shí),會(huì)在整個(gè)流場產(chǎn)生一個(gè)較大的旋渦,流體在該區(qū)域劇烈摻混,形成圖2(a)所示的負(fù)壓區(qū)。當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),在流體主流區(qū)下部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋渦。相較于工況A,工況B的旋渦區(qū)域較小,因此,大量動(dòng)能導(dǎo)致工況B旋渦區(qū)運(yùn)動(dòng)更加劇烈。并且,工況B的旋渦較小,無法運(yùn)動(dòng)到流場左側(cè),而主流區(qū)上部也沒有形成旋渦,導(dǎo)致進(jìn)水口上部和下部出現(xiàn)死區(qū),流體基本上沒有太多運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)水口位于下部時(shí),整個(gè)流場基本上只有主流區(qū)在流動(dòng),其余部分都趨向于成為死區(qū)。

圖3 各工況流速分布圖Fig.3 Flow velocity distribution diagram of each working condition

圖4 各工況流速矢量圖Fig.4 Flow velocity vector diagram of each working condition

圖5 各工況流線圖Fig.5 Streamline diagram of each working condition

綜上所述,當(dāng)進(jìn)水口位于上部時(shí),與空氣摻混劇烈,且在整個(gè)流場會(huì)形成旋渦,對(duì)于增加整個(gè)水體的溶解氧,促進(jìn)水體自凈化效果最好。當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),流場運(yùn)動(dòng)不算劇烈,且會(huì)產(chǎn)生死區(qū),促進(jìn)水體自凈效果較差。當(dāng)進(jìn)水口位于下部時(shí),流場絕大部分為死區(qū),對(duì)水體自凈化促進(jìn)效果最差。

2.3.3 湍流強(qiáng)度分布

圖6為流場的湍流強(qiáng)度分布云圖。當(dāng)進(jìn)水口位于上部時(shí),在圖2(a)所示的負(fù)壓區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大的湍流強(qiáng)度。當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),同樣在圖2(b)中的負(fù)壓區(qū)域出現(xiàn)較大的湍流強(qiáng)度,而在死區(qū)處,湍流強(qiáng)度只有0.254%左右,幾近于無。當(dāng)進(jìn)水口位于下部時(shí),除主流區(qū)附近有較大的湍流強(qiáng)度外,其余部分都趨向于死區(qū)。

圖6 各工況湍流強(qiáng)度分布圖Fig.6 Turbulence intensity distribution diagram of each working condition

綜上所述,進(jìn)水口位置越往上,整個(gè)流場的湍流強(qiáng)度分布范圍越大,流場越活躍。因此,促進(jìn)水體自凈化效果越好。

3 三維模型模擬

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

三維模型為長度和寬度均為100 m,深度為10 m的方形水池(水池范圍0≤x≤100 m;0≤y≤100 m;0≤z≤10 m)。分為工況A、B、C,對(duì)應(yīng)進(jìn)水口位置在上部,中部和下部。進(jìn)水口直徑為5 m,分別位于液面下3、5、7 m處,即z=7 m,z=5 m,z=3 m處,并且由于模擬范圍較大,故設(shè)置了均勻分布的三個(gè)進(jìn)水口,位于x=25 m,x=50 m,x=75 m處。出口直徑為6 m,位于液面下3.5 m處,即z=6.5 m處。以工況A為例,如圖7所示。

圖7 工況A三維模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Grid division of three-dimensional model for condition A

3.2 邊界條件

在邊界條件設(shè)置中,進(jìn)水口設(shè)置為速度入口;出水口和自由液面設(shè)置為壓力出口,參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓;其余邊界設(shè)置為固壁邊界,滿足無滑移邊界條件;重力加速度方向朝向池底,即gz=-9.81 m/s2;流場初始湍流強(qiáng)度為5%。迭代次數(shù)為2 000次,各物理量均達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 流場分析

3.3.1 水平截面壓力分布

圖8所示為工況A所選水平截面的壓力分布云圖。從圖8可知,當(dāng)進(jìn)水口在上部時(shí),流場整體處于負(fù)壓區(qū),是由于從上部注水導(dǎo)致水流運(yùn)動(dòng)激烈,與空氣發(fā)生了劇烈摻混。在圖8(c)～圖8(e)中可以看到,主要的壓力集中在進(jìn)水口和出水口附近,兩側(cè)入水口處末端壓力大于中間入水口末端壓力。并且從圖8可以看到,隨著深度的增加,流場內(nèi)高壓區(qū)增大,這是由于水流沖擊右側(cè)壁面后,沒有從出口流出的水流向下翻滾產(chǎn)生回流所致,越向下,回流擴(kuò)散范圍越大。

圖8 工況A各水平截面壓力分布圖Fig.8 Pressure distribution diagram of each horizontal section of condition A

圖9所示為工況B所選水平截面的壓力分布云圖。從圖9可知,當(dāng)進(jìn)水口在中部時(shí),當(dāng)進(jìn)水口在中部時(shí),進(jìn)水口水流均會(huì)沖擊到右側(cè)壁面,然后向四周擴(kuò)散,所以在三個(gè)進(jìn)水口末端都有較大壓力,并且中間部分水流會(huì)從出口出流,所以在圖9(b)～圖9(d)中,相較于其他兩個(gè)進(jìn)水口,中間進(jìn)水口末端壓力較小。由圖9(a)和圖9(e)可知,回流向下部擴(kuò)散產(chǎn)生的壓力比向上部擴(kuò)散大,這是由于回流向下擴(kuò)散碰到壁面會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生回流,充分與其他水流產(chǎn)生接觸和碰撞。而向上部擴(kuò)散時(shí),一方面由于上部接近空氣,導(dǎo)致與空氣摻混發(fā)生能量損耗,另一方面,向上部擴(kuò)散還需要克服重力勢能做功。因此在下部出現(xiàn)了較大壓力。

圖9 工況B各水平截面壓力分布圖Fig.9 Pressure distribution diagram of each horizontal section of condition B

圖10所示為工況C所選水平截面的壓力分布云圖。從圖中可知,當(dāng)進(jìn)水口在下部時(shí),流場上部大部分區(qū)域趨向于死區(qū),故整個(gè)流場上部壓力變化不大,與2.3節(jié)所得結(jié)論一致。三個(gè)進(jìn)水口水流沖擊到右側(cè)壁面后向上部和兩側(cè)產(chǎn)生回流,所以工況C只有在三個(gè)進(jìn)水口末端壓力較大。

圖10 工況C各水平截面壓力分布圖Fig.10 Pressure distribution diagram of each horizontal section of condition C

在對(duì)三種工況自由液面的平均壓強(qiáng)計(jì)算后,得到A、B、C三種工況的自由液面壓強(qiáng)分別為-94.23、-51.22、-18.36 Pa,所以可以和3.3得到相同的結(jié)論,證實(shí)了上述結(jié)論的可信度。并且工況A、B、C在整個(gè)流體域內(nèi)的平均壓強(qiáng)分別為82.45、191.11、212.28 Pa,可見進(jìn)水口的位置越往上,流場壓力受空氣摻混狀況影響越大,正壓越小。

綜上所述,對(duì)于三維流場而言,進(jìn)水口的位置越往上,與空氣的摻混將會(huì)越劇烈,更容易增加水中溶解氧含量,越有利于水體的自凈化。

3.3.2 水平截面流速分布

圖11所示為工況A所選水平截面的流速分布云圖。從圖中可知,當(dāng)進(jìn)水口在上部時(shí),流體流速最大區(qū)域分布在上部,并且向下部流場逐漸減小。但是相對(duì)地,流場旋渦擴(kuò)散范圍較大,從圖11(e)可知,擴(kuò)散已經(jīng)達(dá)到大半流場,只是影響效果較弱。并且由于兩側(cè)進(jìn)水口水流沖擊壁面產(chǎn)生回流,導(dǎo)致中間進(jìn)水口處流速略微減小。

圖12所示為工況B所選水平截面的流速分布圖。從圖中可知,當(dāng)進(jìn)水口在中部時(shí),流體流速最大區(qū)域分布在中部,向上下流場擴(kuò)散。并且由于上部流場接近自由表面,與空氣摻混更加明顯,因此,上部流場動(dòng)能損耗較大,相比于下側(cè)流場擴(kuò)散范圍較小。同樣地,由于兩側(cè)進(jìn)水口水流沖擊壁面產(chǎn)生回流,導(dǎo)致中間進(jìn)水口處流速略微減小。

圖12 工況B各水平截面流速分布圖Fig.12 Flow velocity distribution diagram of each horizontal section of condition B

圖13所示為工況C所選水平截面的流速分布圖。從圖中可知,當(dāng)進(jìn)水口在下部時(shí),流體流速最大區(qū)域分布在下部,向上部流場擴(kuò)散,并逐漸減小。從圖13(e)可知,當(dāng)流場接近自由表面時(shí),流速基本上已經(jīng)消耗得所剩無幾,只有在出口方向由于沖擊壁面產(chǎn)生的回流效應(yīng),導(dǎo)致靠近壁面的極小部分區(qū)域有明顯的流速。因此,入流很難使流場與外部空氣產(chǎn)生密集交互,對(duì)水質(zhì)凈化促進(jìn)效果不大。

圖13 工況C各水平截面流速分布圖Fig.13 Flow velocity distribution diagram of each horizontal section of condition C

綜上所述,當(dāng)進(jìn)水口越接近上部,與空氣的摻混將會(huì)越劇烈,更容易增加水中溶解氧含量,越有利于水體的自凈化。并且對(duì)于三維流場而言,入流只能影響進(jìn)水口范圍的小部分流場,其余大部分流場受到的影響不大,而且無法像小流場一樣產(chǎn)生大范圍的旋渦來促進(jìn)水質(zhì)的改善。因此對(duì)于促進(jìn)三維流場的水質(zhì)自凈化,進(jìn)水口位置應(yīng)盡量設(shè)置在高處,并且為了盡可能影響大部分流體,應(yīng)該盡可能多地設(shè)置進(jìn)水口。

3.3.3 湍流強(qiáng)度

出水口作為水池水流唯一的輸出端,水流在出水口水平截面上湍流現(xiàn)象變化明顯。而且,從3.3.2節(jié)流速分析可知,流場變化主要發(fā)生在流場后半段,幾乎未能擴(kuò)散至流場左端。因此,選取出水口水平截面從流場中前段(y=45 m)至流場近末端(y=95 m)每隔5 m作為觀測點(diǎn)。分別觀測了三個(gè)工況觀測點(diǎn)處沿x方向的湍流強(qiáng)度變化,并進(jìn)行了比對(duì)分析。

圖14所示為三種工況在出水口平面湍流強(qiáng)度在x方向上的變化。從圖13(a)～圖13(c)總體對(duì)比來看,首先,三種工況均在沿水流方向(即y方向),y越大,湍流強(qiáng)度越大,說明所注入的活水的發(fā)展,會(huì)增大流場的脈動(dòng)值,增大流場的混亂程度,相應(yīng)地,也會(huì)增強(qiáng)水體的自凈能力。其次,3種工況均在兩側(cè)壁面處出現(xiàn)較大湍流強(qiáng)度,且隨著進(jìn)水口的下移,兩側(cè)壁面處的湍流強(qiáng)度隨之增大,工況A壁面處湍流強(qiáng)度僅為40%左右,工況B壁面處湍流強(qiáng)度為50%左右,而工況C壁面處湍流強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到60%左右。這是由于水流在沖擊到流場末端壁面后,產(chǎn)生回流,會(huì)與兩側(cè)壁面發(fā)生碰撞,在兩側(cè)壁面處出現(xiàn)較強(qiáng)的湍流,并且隨著進(jìn)水口的下移,回流可供發(fā)展的時(shí)間與空間均增大,因此發(fā)展到出水口平面時(shí)的湍流脈動(dòng)值也就更強(qiáng),湍流強(qiáng)度更大。最后,3種工況主要的湍流強(qiáng)度均集中在接近中間的地方,且最大值都保持在45%左右,但細(xì)微處又有不同。工況A在所以觀測點(diǎn)都出現(xiàn)較為明顯的湍流強(qiáng)度,尤其在y=90 m和y=95 m的觀測點(diǎn)處出現(xiàn)了湍流強(qiáng)度的峰值;工況B相較于工況A,湍流強(qiáng)度明顯變小,在y=80 m之后才能觀測到較為明顯的湍流強(qiáng)度;工況C相較于工況B,湍流強(qiáng)度再度明顯的縮小,僅在兩個(gè)峰值處較大。這是因?yàn)?流場內(nèi)的湍流強(qiáng)度會(huì)受到進(jìn)水口入流和末端回流的混合影響,離進(jìn)水口越近,受其影響越大,回流也是如此。沿y方向,接近進(jìn)水口的觀測點(diǎn)都能在x=25 m、x=50 m、x=75 m,即3個(gè)進(jìn)水口左右觀測到明顯的湍流強(qiáng)度,而在y≥75 m的觀測點(diǎn)處受回流影響更加明顯,在x=40 m和x=60 m左右,即回流交匯處會(huì)出現(xiàn)湍流強(qiáng)度峰值。在z方向,不同的進(jìn)水口位置,導(dǎo)致入流運(yùn)動(dòng)到出水口截面消耗的能量也不同,工況B和C水流到達(dá)出水口截面需要克服重力做功,消耗更多的能量,相應(yīng)地,自身的湍動(dòng)能就會(huì)減小,湍流強(qiáng)度也減小。

圖14 各工況觀測點(diǎn)沿x方向的湍流強(qiáng)度變化曲線Fig.14 Turbulence intensity variation curves along the x-direction at observation points of each working condition

綜上所述,當(dāng)進(jìn)水口越接近上部,水流自身的湍流強(qiáng)度越大,對(duì)水體自凈化的促進(jìn)效果越大。

4 結(jié)論

注水是凈化水質(zhì)的有效措施,文中對(duì)不同高度注水促進(jìn)自凈化的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行模擬,得到如下結(jié)論。

(1)在深度方向(z方向)上,隨著進(jìn)水口位置的下移,流場活躍范圍減小,死區(qū)增多。當(dāng)進(jìn)水口位于上部時(shí),會(huì)在整個(gè)流場產(chǎn)生一個(gè)較大的旋渦,該旋渦區(qū)也是流場內(nèi)的負(fù)壓區(qū)和湍流強(qiáng)度集中區(qū)。當(dāng)進(jìn)水口位于中部時(shí),在流場中后段會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小于工況A的旋渦,且該旋渦無法運(yùn)動(dòng)到流場左側(cè)。而主流區(qū)上部也沒有形成旋渦,導(dǎo)致進(jìn)水口上部和下部出現(xiàn)死區(qū),流體基本上沒有太多運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)水口位于下部時(shí),整個(gè)流場基本上只有主流區(qū)在流動(dòng),其余部分都趨向于成為死區(qū)。

(2)在流動(dòng)方向(y方向),y值越大,即流動(dòng)距離越遠(yuǎn),流場湍流強(qiáng)度越大。在寬度方向(x方向),流場流速,壓力和湍流強(qiáng)度均以x=50 m截面對(duì)稱,流速主要集中在進(jìn)水口主流區(qū),以及末端的回流處。壓力主要集中在進(jìn)水口對(duì)應(yīng)末端的壁面處小部分區(qū)域。湍流強(qiáng)度根據(jù)離進(jìn)水口和末端回流的距離出現(xiàn)不同的峰值。

(3)進(jìn)水口位置越往上,對(duì)水體自凈化促進(jìn)效果越好。流場的流速和湍流強(qiáng)度一定程度上可以代表水體自凈化能力的強(qiáng)弱。因此,通過結(jié)果分析,建議采用上部注水方式。

(4)通過模擬可以得到,暢流活水方式對(duì)水體凈化有著較為明顯的促進(jìn)效果。相較于添加化學(xué)凈化劑等凈化方式可能帶來的水環(huán)境破壞,二次污染和生態(tài)系統(tǒng)失衡等問題,暢流活水方式在經(jīng)濟(jì)方面和基本沒有副作用方面將有很好的前景,可以為未來河流湖泊凈化提供一個(gè)新的思路和參考。