加速分数型布朗运动粒子追踪模型在水面污染扩散中的应用

对沿海水域的non-Fickian扩散现象的观测表明,沿海表层水域的Hurst指数H并不局限于0～1的范围。因此本研究在分数型布朗运动的基础上,引进加速分数型布朗运动来模拟non-Fickian扩散,使表面Hurst指数可以大于1,从而建立了一种新型的粒子追踪技术,由此来模拟沿海水域中的non-Fickian传播。随后对使用粒子云模拟沿海水域中污染物的non-Fickian扩散的方法进行了研究。并通过比较实际观测数据,以及英国HR Wallingford传统的Fickian扩散模型的计算结果表明,本文模拟的结果较好。

寒潮天气下高风险冰块追踪预测方法及数值模拟

为向拟建、在建和已建冰区所有冷源取水工程海域的海冰环境监测和动态风险预警提供技术支撑,本文构建了海冰–海洋耦合条件下的拉格朗日粒子追踪预测模型,并以辽东湾某核电站取水口为例,模拟并探讨了寒潮天气下高风险冰块在24 h、48 h和72 h的运移轨迹及其进入取水口的概率。结果表明,由于取水口的走向与流向和风向几乎垂直,因此在口门外随机释放的1200个高风险冰块粒子中只有不到6%的粒子进入到取水口内。通过分区域标识粒子颜色,发现这些粒子多来自于靠近取水口300 m范围内。敏感性分析的结果表明,当释放粒子数量增至5倍时,结论不变。该项研究为冷源取水安全预警提供了一种新方法。

敞开式跑道池光生物反应器的CFD模拟与优化

采用CFD技术对敞开式跑道池光生物反应器流场进行了研究,考察了导流板结构、跑道池底部进气孔长度和宽度方向间距对流场的影响规律。结果表明,当内外导流板均为180°、导流板延伸长度ΔL/W为0.5时,跑道池平均速率最大,死区比例最小,功率输入最少;当宽度方向间距ΔY/W1为1/4、长度方向间距ΔX/L1为0.025时,平均光照方向速率最大。采用粒子追踪模型,分别计算不通气与通气情况下粒子的运动轨迹,分析得到藻细胞的光照强度、光暗交替频率。

开放海域污染物扩散的分形模拟

通过对传统分数布朗运动模型以及改进了的FBMINC模型的分析,与粒子跟踪模型结合,提出应用范围更广的加速分数布朗运动(AFBM)粒子跟踪模型,并用于模拟海洋表面漂浮污染团的扩散。模拟结果表明,与传统模型的模拟结果比较,加速分数布朗运动粒子跟踪模型更准确可靠;由于豪斯特指数的取值范围得到扩展,加速分数布朗运动粒子跟踪模型的应用范围更广泛。

基于多相质点网格法的大气污染仿真模拟

为了准确估计不同风速条件对单点源排放的污染物浓度时空分布、粒子抬升高度、污染物扩散范围产生的影响,使用以多相质点网格(multi-phase particle-in-cell,MP-PIC)方法为基础的拉格朗日粒子追踪模型对污染物扩散进行大涡仿真模拟。结果表明:低风速下,受污染源阻挡作用,污染源周边形成方柱绕流现象,污染物在下风方向分裂为两股,污染物随湍流作用在计算域内波动,且计算域内分裂状况始终存在。随着风速的增大,污染物分裂情况逐渐消失,且污染物扩散范围、粒子最大抬升高度随风速增大而减小。风速为2 m/s时,分裂的两股污染物之间距离为5~20 m,流场稳定时下风向1000~1300 m污染物最大数浓度为70~87个/m^3;风速为5 m/s时,分裂的两股污染物距离为2~10 m,流场稳定时下风向1000~1300 m污染物最大数浓度为212~300个/m^3;风速为10 m/s时,分裂情况消失,流场稳定时下风向1000~1300 m污染物最大数浓度为407~502个/m^3。

鄱阳湖重金属Cu的运动足迹研究

选取我国典型的通江湖泊——鄱阳湖作为研究区域,采用MIKE21水动力模型耦合粒子追踪模型,模拟在重力型、顶托型、倒灌型3种不同湖流形态下鄱阳湖中重金属Cu的运动足迹.结果显示:(1)1月(重力型),长江下游处重金属运动速率最快,为2.111km/d,粒子一直沿着由北向南的方向运动至湖区中心的西北方向,之后突然改变运动方向;5月(顶托型),长江上游处重金属运动速率最大,达到2.901km/d;8月(倒灌型),与顶托型类似,长江上游处重金属运动速率最快,为3.287km/d.(2)从各支流重金属整体的运动情况来看,鄱阳湖水位受到五河来水及长江倒灌的影响,各点源重金属在湖区的运动足迹受顶托型和倒灌型湖流形态作用的影响较大,长江上、下游处重金属在不同湖流的影响下流速均较大,受湖流形态影响最小的是抚河的2个支流,粒子运动速率表现为:倒灌型>顶托型>重力型.

风场对鄱阳湖重金属Cu足迹的影响研究

文章选取中国典型通江湖泊-鄱阳湖作为研究区域,采用MIKE 21模型的粒子追踪模块,模拟复杂风场与湖泊水流模式(重力流、顶托流和倒灌流)耦合作用下,鄱阳湖重金属Cu的足迹变化。结果表明:忽略风场条件下,重力流和顶托流都驱动着重金属Cu颗粒由南向北运动,倒灌流减缓Cu颗粒的运动速度,但不会影响其最终的运动趋势,即3个时期重金属Cu颗粒均部分到达长江;风场产生的风生流会影响湖水在水平方向的流态,进而影响Cu的足迹。倒灌流受风生流影响最大,顶托流其次,重力流最不易受到影响。考虑风场时,受风场影响,顶托流和重力流主导期间,Cu粒子部分达到长江,且入江时间均大于未考虑风场条件,而倒灌流主导期间,Cu粒子最终没有进入长江。该文揭示了风场对湖泊环流和混合的重要性,通过对通江湖泊重金属足迹的研究,旨在为今后的湖泊水环境管理提供科学依据与预测方法。