苏州河综合调水与水环境治理研究

本文概述了上海市苏州河环境综合整治中与水环境相关的情况,以苏州河的历史、现状及水环境整治方略为背景,简要介绍了苏州河污染源情况,苏州河水动力特点并分析苏州河水质严重污染的原因.在此基础上着重描述苏州河环境整治中的环境流体力学问题:苏州河污染物迁移扩散数学模型及其主要参数的特征;苏州河水动力学特征及其对水质的影响;苏州河水动力的控制及其对改善水质的作用;苏州河及其河网水环境容量总量控制的优化方法.

苏州河纵向离散系数的分析研究

通过对苏州河水文水质资料的分析,并进行了水槽因子影响试验、非定常潮汐水流的模拟试验以及环境水力学理论分析和相似律推算,得到了比较符合实际的纵向离散系数取值范围:苏州河为单向流时K≈(5～35)m2/s;苏州河在潮流往复作用下,k=(2～12)m2/s。运用水质数学模型和苏州河实测的水文水质同步资料对纵向离散系数进行了验证。

湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法。

矩形管道中平板障碍物后旋涡发射特性研究

通过理论推导及流动显示实验，研究了矩形管道中平板障碍物后旋涡发射频率及尾流特征。结果得到了旋涡发射频率与雷诺数、平板阻塞率之间的关系，特别是发现了在高阻塞率条件下，当雷诺数增至某个临界值时旋涡发射被抑制，以及尾流存在周期性旋涡发射和无明显周期性的回流区两种不同的流动状态。本文还分析了上述现象的流动机理，即尾流特性主要取决于两边的分离剪切流之间的相互作用。

底泥污染物释放水动力特性实验研究

在环境水动力学中,河口地区的河流底泥污染物释放扩散特性的研究越来越受到人们的重视。实际上,污染物在底泥和上覆水体之间的释放扩散,对上覆水体水质有很大影响。底泥污染物释放扩散受到底泥本身物理性质和上覆水体水动力特性的共同作用。本文对底泥污染物向上覆水体释放扩散规律进行了水槽实验,通过对水体中底泥释放污染物COD浓度的测量分析,初步得到了底泥污染物在动水条件下的释放机理。底泥污染物释放主要分为两种形式:一是底泥污染物泥水界面释放,二是底泥污染物起动悬浮释放。随后结合底泥污染物释放的水槽模拟实验,天然河道(苏州河)现场实测资料,对三者进行了分析比较。它们相互符合得较好,所反映的基本规律是一致的,表明了本文实验研究的合理性和可靠性。

感潮河道溢油扩展、漂移特性实验

溢油污染已逐渐成为内陆突发性水环境污染的主要问题之一。尤其在河口感潮河道,油污染问题日益突出。溢油污染因其对环境、生态、经济等的长期、巨大的破坏性影响,日益受到学术界的关注。然而以往的研究大都集中在海洋溢油方面,河道溢油研究因起步较晚,研究成果较少,考虑潮汐影响的则更少,且研究手段多以数值模拟为主,机理性实验研究较少。该文通过潮汐水槽模拟实验,观察并记录油膜在潮汐水流中、两个半日潮潮周期内的扩展、漂移情况,初步分析溢油油膜在潮汐水流中的扩展、漂移规律。实验结果表明:潮汐水流中,溢油油膜的扩展、输运过程主要受溢油自身理化性质和外界潮汐水流变化的影响。溢油入水后,首先经历重力扩展阶段,此阶段历时很短;然后经历剪切扩展阶段,此阶段历时长,油膜既受内部黏滞力影响,又受水流、风力引起的边界剪切力的影响,同时由于历时长,还受到潮流的输运影响。最后,当油膜很薄时,除受潮流的输运影响;还因受紊动水流及风浪的影响,在漂移过程中破碎或乳化。

风对河道溢油扩展、漂移影响的实验研究

本文通过风水槽实验,模拟了在不同风速,水流速度条件下油膜的扩展、漂移运动状况。分析研究了不同工况下风对溢油油膜扩展、漂移的影响。实验结果表明:无论是对于瞬时溢油还是连续溢油,风都能使得溢油油膜扩展尺度增加两倍左右;风与水流同向时,风速的变化对于瞬时溢油油膜的扩展尺度影响很小,对连续溢油油膜的扩展尺度随风速增加而增加;风与水流反向时,油膜的扩展尺度与风速和水流速度之间相对大小有关。对于漂移过程,无论是瞬时溢油还是连续溢油,其顺风边缘都随风速的增加而速度加快。

泥沙污染物起动再悬浮释放机理

底泥再悬浮时,颗粒和孔隙水会交替影响底泥污染物的释放通量。通过循环水槽实验,分别以氯化钠和磷来代表典型的非吸附性污染物和吸附性污染物,研究了再悬浮颗粒和孔隙水释放污染物的不同特征。研究表明,再悬浮磷的释放对底面切应力的反应要比氯化钠迟缓,但前者释放通量要比后者大。恒定水流下底泥再悬浮污染物释放过程可以分为两个显著阶段:起动初期2 h内,颗粒和孔隙水共同作用,两者对上覆水体中水溶性污染物的贡献之比最高为3∶1,此时悬浮颗粒处于解吸污染物状态;2 h后,悬浮颗粒转为吸附污染物状态,释放通量时正时负。长期悬浮时泥沙颗粒始终为负释放状态,而孔隙水对总通量的贡献之比最高可达到60∶1。上覆水体中吸附性污染物液固相浓度比值先增大后减小,悬浮后期始终处于较低值。推导了底泥释放通量的理论公式,理论结果是线性缓慢增加的,而实验值的增加趋势是先快后慢。

流动环境中高浓度射流扩散实验研究

通过流动显示和定量测量对浅水流动环境条件下 ,高浓度流体垂体向抛射入水后形成的射流运动扩散及浓度分布特征进行了水槽实验研究· 实验分析了射流入水后与环境水流条件的相互作用 ,通过数据分析给出了射流中心线着底点与横向扩散角的拟合公式· 实验结果表明高浓度射流在近区呈现出不同于一般淹没射流的复杂流动形态及扩散特征 。

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。

动水中含污染物冲击射流横向高浓度聚集区的形成机理和特性分析

采用RNG湍流模型对动水中含污染物冲击射流滞止点下游区域的横向浓度分布特征进行了详细的数值研究,并与相应的实验结果进行了比较。分析了下游过渡区内横向高浓度聚集区的形成机理和扩散特性。计算结果表明,冲击效应和横流绕流对冲击射流下游过渡区内的横向浓度分布具有重要的影响。当流速比相对较小时,在靠近对称面以及底层壁射流与环境横流的横向边界附近出现较为明显的横向高浓度聚集区,计算结果表明,冲击效应产生的横向逆压梯度以及横流绕流导致的Scarf涡结构对横向高浓度聚集区的形成起主导作用。

PIV直接测量泥沙沉速试验研究

本文应用激光测量仪器PIV对长江口水库泥沙水样在沉降筒中进行沉降速度场测量,得到了平均的泥沙沉速,并分析了含沙量、絮凝等因素对泥沙沉降的影响。同时通过试验发现 PIV直接测量泥沙沉速是一种可行的、有效的试验方法。

边抛疏浚的回淤率研究

文章对边抛式挖泥船在河口水域作业时，疏浚土入水的运动机理进行了水槽试验研究。并建立长江口潮流泥沙三维数值模型模拟各种边抛疏浚工况。计算结果表明，在不同时段实施边抛式疏浚，其回淤率约为３０ ％ ～５０ ％ 。

浅水横流中异重冲击射流的大尺度涡结构

采用RNG湍流模型对浅水横流中异重冲击射流的大尺度涡结构进行了详细的数值研究.分析了冲击区滞止点上游壁面涡结构和近区Scarf涡结构的尺度、形成机理和演化特征.计算得到了上游壁面涡的特征尺度,结果表明上游壁面涡具有高度的三维性,其特征尺度依赖于流速比和环境水深.近区Sarf涡结构对横流冲击射流的横向浓度分布具有重要的影响.当流速比相对较小时,在底层壁射流与环境横流的横向边界附近出现明显的高浓度聚集现象,计算结果表明Scarf涡结构对这一高浓度聚集区的形成起主导作用.

无纺织布喷熔射流拖网表面流场特性研究

本文的工作是对喷熔无纺织布的常用生产设备—喷熔机的风场特性及流动控制进行研究。通过理论分析、数值模拟和模型实验三个方面对问题展开了具体的研究,首先对喷熔机风场流动进行理论分析并建立数学模型,然后进行数值模拟,最后根据模型相似理论,制作比尺为3∶1的有机玻璃模型,使用90N10型热线风速测量系统(HFA),参考数值模拟工况对喷熔装置风场流动进行了实验测量,这三个部分工作彼此验证,补充和完善。数值模拟结果和实验测量结果基本一致,吸风装置工作状态对拖网板上方流场有重要影响。随着挡风板开度和主副吸风速度搭配的改变,拖网上方流场呈现规律性的变化。研究表明在恰当的挡风板开度和吸风速度下,拖网上方流场速度分布和压力分布的均匀性都有显著提高,进而使无纺布孔径更小更均匀,孔隙形状和孔隙结构更为规整,提高了无纺布的均匀性、强度以及过滤效率。

凌桥支线输水钢管(顶管)受力数值分析

凌桥支线工程是青草沙水源地原水工程陆域输水系统的主要组成部分，选择合理的输水管材对工程的安全及节能具有重要意义。在考虑土压、管道内压、地面堆载和交通载荷共同作用的同时，还考虑了土体的初始应力场及非线性变形特性，采用弹塑性力学模型与有限元方法，对凌桥支线输水管道的受力情况进行理论分析和数值模拟，得到输水管道应力应变变化规律，这将对凌桥支线输水工程管材的优化设计具有积极意义。

粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究

粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响.为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制.实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用.与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关.随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱.因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.

第四届全国环境力学研讨会简介

由于社会与经济可持续发展的重要需求，近年来环境力学研究得到迅速发展，成为力学学科一个新的重要生长点．作为一门新兴交叉学科，环境力学正处在迅速发展阶段．为了更好地促进力学学科在认识环境现象和解决实际环境问题中发挥作用，国家自然科学基金委员会数理科学部主办了环境力学系列研讨会．

高黏性浆液在富水破碎带隧道涌水治理中的应用

富水破碎带隧道的涌水常常会引起一系列地质灾害,其中高黏性浆液作为一种治水材料,在富水破碎带的治水过程中发挥了积极的作用.实验测量得到了常用水泥浆液和高黏性浆液黏性随时间变化的规律,并分析黏度变化对注浆治水的影响.引入孔隙率、渗透率动态模型,建立了适用于富水破碎带注浆治水的流固耦合数学模型,分析了高黏性浆液注浆过程中压力梯度、应变率和孔隙率变化,确定高黏性浆液流动半径.结合浅层填充挤压、深层高压挤密的注浆思路设置了排水减压孔,参考计算结果设计试验方案.通过监测隧道涌水量和检测钻孔取芯,验证了数学模型和试验方案的合理性.试验结果表明,隧道涌水量下降了97%,达到了封堵涌水的目的;现场芯样充填饱满密实,抗压强度较原始地层提高了2～4倍,围岩整体防渗性能和稳定性得到大幅提升.该结果不仅验证了数学模型的合理性,还为类似地层治水处理提供了新的思路.

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF(激光诱导荧光)流动显示和PIV(粒子图像速度场仪)测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。