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二维模型的推导

二维模型的推导
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二维模型的推导

(1)二维模型的物料衡算式推导

如图2-1所示,在稳态条件下,任选一半径为r ,径向厚度为dr ,长dl 的微元环体,对微元环体中第i 个组分作物料衡算见表2-1。

图2-1 衡算微元环体 表2-1 第i 组分物料衡算

组分i 物料

项目表达式(mol/s )

轴向流入量

[]i l 2u r dr C π???

径向流入量

()i er i 2C r dl D r π??

???-?????

? 轴向流出量

[]i l+dl 2u r dr C π???

径向流出量

()()i er r+dr 2C r dr dl D r π??

?+??-????

? 反应生成带入量

,ij j j 2πr dr dl νγ?????? ???

式中:γj ,——反应进度,mol/(m 3·s );

νij ——第j 个微元体内i 组分在计量式中的计量系数; D er ——有效扩散系数,m 2/s ; C i ——i 组分的摩尔浓度mol/m 3;

r ——炉管径向任一点到管中心轴线的距离,m 。 稳态时的物料衡算式:带入量+反应生成量=带出量

[][]()()()i i i er l+dl l r

'i er ij j j r+dr 22222C r u dr C r u dr C r dl D r C r dr dl D r dr dl v r πππππγ??????-???=??-?

??????????-+??-?+??? ????????

∑ (2-1)

微分中值定律:

如果函数 f(x) 满足:1)在闭区间[a,b]上连续; 2)在开区间(a,b)内可导。 那么:在(a,b)内至少有一点ξ(a<ξ

由微分中值定理得:

()()i i i l+dl l r

C C C dl l ???

=+?

???? (2-2)

2

i i i 2r+dr r r

C C C dr r r r ?????????=+? ? ? ?????????? (2-3)

将上两式代入物料衡算式中得:

2'i i i er ij j 2j 1222C C C u r dr r dr D rdr l r r r πππνγ??????????=??++? ? ????????∑(2-4)

所以

2'

i i i er ij j 2j 1

1V N C C D l u r r r νγ???????=??++?? ???????

?

∑ (2-5)

河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述_马莉

河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述 马 莉1,2,桂和荣1,3,曹彭强4 (1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232007; 2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232007; 3.宿州学院,安徽宿州 234000; 4.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098) 摘 要:介绍二维水质模型常用的模拟手段、建模求解步骤的要点难点,并在此基础上对RM A 4水 质模型的特点进行详细归纳和分析,最后探讨河流水质模型的未来发展趋势,从而为建立二维河流水质 模型进行水质模拟提供一定的思路和依据. 关键词:河流;二维;水质模型;RMA 4 中图分类号:X 522;O 242.1 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2011)01-0102-07 Study on i ntegration of 2D water quality m odels and revi ew of RM A4model MA L i 1,2,GU I H e rong 1,3,CAO Peng q iang 4 (1.D epart ment o f Earth and Env iron m ent ,A nhui U nivers it y of Science and T echno l ogy ,H uai nan 232007,Ch i na ; 2.D epart ment o fM i ning Engeer i ng ,H uainan V o ca ti ona l T echn ical Co llege ,Hua i nan 232007,China ; 3.Suz hou Co lleg e ,Suzhou 234000,Ch i na ; 4.D epa rt m ent ofH ydrolody and W ater R esources ,H oha iU niversity ,N anji ng 210098,Ch i na)Abst ract :The co mm on m ethod o f 2D w ater quality m odels and the po ints for so l v ing t h e w ater qua lity m ode ls were introduced i n t h is paper .Then a w ater qua lity m odels RMA4w as i n tr oduced and its character i s tics w ere analyzed .Fina ll y the developi n g trends o f si m ulati o n o f river w ater qua lity w as d iscussed .Th is is beneficia l to bu ild i n g and using m athe m atic mode ls to si m u late the river w ater qu lity . K ey w ords :river ;2D;w ater qua lity m ode;l RMA4 1 河流污染二维水质模型研究概况 水质模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述,它既是水环境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具.它涉及水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题.最早研究的水质模型为一维水质模型,其主要应用于河道很长,而水面宽度和深度 收稿日期:2010-06-08 基金项目:安徽省学术与技术带头人基金资助项目 作者简介:马 莉(1983 ),女,辽宁沈阳人,淮南职业技术学院讲师,安徽理工大学在读博士. 引文格式:马莉,桂和荣,曹彭强.河流污染二维水质模型研究及RM A 4模型概述[J].安徽大学学报:自然科学版,2011,35(1):102-108. 2011年1月 第35卷第1期安徽大学学报(自然科学版)Journa l o f Anhu iU n i versity (N a t ural Science Ed iti on)January 2011V o.l 35N o .1

常用水质模型

常用水质模型原理 环境一班 110180112 赵晨光 河北工程大学城市建设学院 摘要:随着科技的发展,人类生产获取的物质越来越多,但是伴随着物质的生产,大 量的污染物物质流入环境,其中相当大的一部分污染物质以无机化合物,有机化合物 的形式进入河流。河流被污染后不仅难以紫荆,造成严重的生态环境问题,也给你人 的生产生活带来极大的的危害。对各类水环境污染问题,尤其是河流水污染的水质报 告已成为我国水利、环保部门的重要工作之一。详细阐述了常用河流水质模型及格参 数意义,今儿给从事水环境监测、水环境影响评价等工作者提供借鉴。 摘要:With the development of science and technology, the human production of material is increasing, but with the production of material, a large amount of pollutant substances into the environment, of which a considerable part of the pollutants in inorganic compounds, organic compounds in the form of into the river. River pollution is not only difficult to Chinese redbud, causing serious ecological environment problems, and also give you people's production and life bring great harm. For all kinds of water environmental pollution problems, especially a report on the water quality of river water pollution is become one of the important work of our country's water conservancy, environmental protection department. Expounds the river water quality model is commonly used to pass the parameter meaning, today to engage in water environment monitoring, water environmental impact assessment and other workers. 关键词:河流;水质;模型; 一,水质模型简介 水质模型是用来描述水体中污染物与实践、空间的定量关系,描述物质在水环境的混合、迁移过程的数学方程。根据模型中的变量是否为随机变量、水质模型可分为确定 性水质模型和不确定性水质模型。 二,河流水质模型

水质模型分类

https://www.sodocs.net/doc/bf12579160.html,/hhhbb/archive/2006/06/23/1681.html 《QUAL 一 2 K模型及其主要参数确定》 S —P模型的基本思路是:他们认为水中溶解氧( DO) 随时问减少的速率与B OD的浓度成正比,水中溶解氧的减少主要是由于水中有机物在好气菌在分解中消耗水中氧气所引起的,并且与BOD降解具有相同的速度,即复氧的速度与氧亏成正比。 S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响,没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响,因此其结果与实际有一定的差别。有很多学者对其进行了改进,主要有以下3种模型: ( 1 ) Thomas模型:对一维稳态河流,在S---P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。 ( 2 ) Camp—Dobbins模型:在Thomas的基础,增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。 ( 3 ) Oconnor模型:假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI))和含氮BOD(NBOD)两项组成,模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧,而且也考虑了含氮化合物的耗氧。 《W A S P水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用》 WASP水质模型:WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)是由美国国家环保局开发的水质分析软件,可用来模拟常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律,是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型。WASP模型在中国渭河、苏州河、汉江等多个流域及水库已有成功的应用。 WASP模型由两个独立的计算机程序DYNHYD和WASP组成,两个程序可连接运行,也可以分开执行。DYNHYD是一个简单的“Link—node”网络水力动态模型,产生的输出文件可为水质分析模拟程序WASP提供流量和体积参数。WASP是一个基于质量守恒原理的动态模型模拟体系,由有毒化学物模型TOXI和富营养化模型EUTRO两个子模块组成。TOX I是有机化合物和重金属在各类水体中迁移积累的动态模型,可预测溶解态和吸附态化学物质在河流中的变化情况。EUTRO采用了OTOMAC富营养化模型的动力学,可预测DO、C OD、BOD、富营养化、碳、叶绿素a、氨、硝酸盐、有机氮、正磷酸盐等物质在河流中的变化情况。 《W ASP 水质模型及其研究进展》 WASP(The water q uali ty analysi s simulatio n program,水质分析模拟程序)是美国环境保护局提出的水质模型系统,能够用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况,可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律,被称为万能水质模型。 WASP最原始的版本是于1983年发布的,它综合了以前其它许多模型所用的概念,之后W ASP模型又经过几次修订,逐步成为USEPA开发成熟的模型之一。WASP5及其以前的版本都为DOS程序,而W ASP6 则发展为Windows 下的程序,但是只能在Windows98

二维水质模型及应用研究进展

123 二维水质模型及应用研究进展 彭 琴,牟新利,张丽莹,李 军,李仁婷 (重庆三峡学院化学与环境工程学院,重庆 万州 404100) 摘 要:本文综述了二维水质模型及其应用,以及二维水质模拟研究进展,可看出它为评价、预测和选择污染控制方案及制定水质标准提供依据,是河流规划、管理、研究过程中的重要工具。 关键词:二维;水质模型;环境 基金资助:重庆市教委科学技术研究项目(编号:KJ091106)和重庆三峡学院大学生创新实验项目(编号:2008-10) 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,水环境问题越来越受到人们的关注和重视,水质模拟是预测评价水环境问题的重要手段之一。近几十年来,国内外许多学者已开展了大量的研究工作,针对所研究的问题的不同,提出许多水质模型。水质数学模型(简称水质模型)是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法,是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工具。 1 二维水质模型 1.1 FESWMS 有限元表面水模型系统,模型最初是为美国联邦高速公路管理局开发的,用来模拟流经许多人工构筑物如堤坝、桥梁的河口和河流的水动力情况。现在由国地质调查局(USGS)支持和发布。王远航等应用FESWMS 二维水动力学数值模型,对温榆河机场南线高速公路段拟建桥墩壅水情况进行了模拟,探讨了高速公路桥对河道行洪安全的影响[1]。 1.2 MIKE21 本模型由丹麦水动力研究所(DHI)开发,是MIKE11的姐模型,属于平面二维自由表面流模型。丹麦水力研究所不断采用MIKE21作为研究手段,在应用中发展和改进该软件。20多年来,MIKE21在世界范围内大量工程应用经验的基础上持续发展起来,在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能。模型可以提供多种水质变化过程,在全世界得到了广泛应用。Patrick Poulin 等运用MIKE21-NHD 模型预测了潮汐通量,通过不同时期盐沼出口截面评估了养分通量的变化[2]。王哲等应用Mike21软件对金仓湖七种不同设计方案的湖泊流场进行了模拟计算,选择合理设计方案对调水时金仓湖的水质变化规律进行预测和分析[3]。 1.3 RMA2/RMA4/SED-2D 本模型由美国资源管理协会开发,是被美国陆军工程兵团使用的TASB 模型系统的一部分,在SMS (the Surface water Modeling System)中执行。RMA2是有限元水动力模型,RMA4是能模拟最多6个用户定义组分传输的水质模型,SED-2D 是底泥传输模型。张伟等为了将合流制排放的污水中颗粒污染物沉积在特定区域,利用RMA2模型分析排放沟渠形态改造前后的流场变化,模拟结果看出通过修整和改造后沟渠内流速降低,有利于颗粒物沉降,改造方案切实可行[4]。 1.4 CE-QUAL-W2 本模型由美国陆军工程兵团开发。与大部分二维模型不同,该模型是横向平均的,即它只模拟纵向和垂向。模型可用来模拟湖泊和水库,尤其是相对狭长的湖泊和分层水库,模型的水质模拟效果极佳,该模型同时也适合模拟一些具有湖泊特性的河流。Liu 等应用CE-QUAL-W2模型模拟了水面高程和水温以及在水体的水质状况,得出减少20%和80%的磷负荷将分别提高富营养化的营养状态和减弱富营养化的水质,从而为减少水质富营养化提供 2010年 第3期 2010年3月 化学工程与装备 Chemical Engineering & Equipment

最全的城市洪涝河道水质模型模拟软件介绍

一、相关模型简介清单

二、城市内涝模型 1)MIKE URBAN城市排水模拟软件 MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。它整合了ESRI的ArcGIS以及排水管网模拟软件,形成了一套城市排水模拟系统。该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。 应用领域 ?雨污水泵站优化调度 ?排水管网溢流(CSO /SSO)分析 ?管网泥沙淤积评估 ?管网水质分析 ?城市降雨径流过程分析 ?城市内涝分析与风险评估 ?城市排水防涝规划 ?低影响开发(LID)的模拟 ?海绵城市的规划 2)MIKE FLOOD MIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。它包括完整的

一维及二维的洪水模拟引擎,从河流洪水到平原洪泛,从城市雨洪到污水管流,从海洋风暴潮到堤坝决口,能够模拟所有实际的洪水问题。MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。其它模拟软件所不具备的功能,都可在MIKE FLOOD 中找到 应用领域 ?洪水管理 ?快速的洪水评估 ?绘制洪泛图 ?工业区、居民区等的灾害分析 ?编制应急计划,如疏散路径及优先级等 ?气候变化的影响分析 ?防洪措施研究 ?城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究 ?溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究 3)InfoWorks ICM 完整模拟城市雨水循环系统,实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合,更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。它在一个独立模拟引擎内,完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型,同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起,是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件

水质模型与水环境容量(精)

水质模型与水环境容量 课程辅导 第四章 水质模型与水环境容量 1、污染物质在水中有哪些运动形式? 污染物质在水中运动的形式,可以分为两大类:一类是随流输移运动,一类是扩散运动。在随流输移运动中,污染物服从水体的总体流动特征,产生从一处到另一处的大范围运动(包括主流方向以及垂直主流方向)。而扩散运动则是使污染物质在水体中得到分散和混和的物理机制,按物理机制的不同,扩散运动包括分子扩散、紊动扩散和剪切流离散。此外,在工程实际当中遇到的水体大都是具有固体边界的(大面积水体中的局部污染问题除外),而污染物在边界附近,将产生所谓边界反射问题,而且这种反射作用往往对污染物的分布产生重要影响,不可忽略。 2、分子扩散运动的费克定律有哪些主要内容? (1)费克(fick )第一定律 费克(fick )第一定律提出单位时间内,通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例,扩散强度与污染物自身特性有关。 x m x x c D Q ??-= 式中:Q x 为在x 方向单位时间通过单位面积的扩散物质的质量简称通量;C 为扩散物质的浓度(单位体积流体中的扩散物质的质量); x c ??为扩散物质在x 方向的浓度梯度;D m 为分子扩散系数,与扩散物的种类和流体温度有关,具有[L 2/T]的量纲。式中的负号表示扩散物质的扩散方向为从高浓度向低浓度,与浓度梯度相反。 (2)费克(fick )第二定律 ???? ????+??+??=??222222z c y c x c D t c m

上式即为各向同性情况下的三维分子扩散方程,是费克第二定律的特殊形式。 3、移流扩散可分为哪些阶段? 从运动阶段上考察,移流扩散大致分为三个阶段:第一阶段为初始稀释阶段。该阶段主要发生在污染源附近区域,其运动主要为沿水深的垂向浓度逐渐均匀化。第二阶段为污染扩展阶段。该阶段中,污染物在过水断面上,由于存在浓度梯度,污染由垂向均匀化向过水断面均匀化发展。第三阶段为纵向离散阶段。该阶段中,由于沿水流方向的浓度梯度作用,以及断面上流速分布,出现了沿纵向的移流扩散,该扩散又反过来影响了断面的浓度分布,从而与第二阶段的运动相互作用。 4、如何求解水质模型? 水质模型主要有如下求解方法: (1)理论解析解 将问题简化后,方程变为低维、低阶、线性的形式,可以用数理方程 中的标准方法进行求解,包括量纲分析方法、变量替换法、镜像法等。 (2)数值解法(数值模拟方法) 差分法、有限元方法、有限体积法等。数值模拟方法有许多优点,例如:可解决高阶非线性问题,不受场地和比尺限制,可在短时间内测试各种 可能方案等。而且由于当前计算机技术的高度发展,数值模拟方法有着更加 广阔的前景和应用范围。 (3)物理模型 这是传统的解决流体力学问题的方法,同样适用于水环境问题的解决。 在实物模型中,可以直接观测流动和扩散现象,测量所关心的污染物浓度分布。物理模型方法比较直观,而且对于一些未能建立数学方程的复杂问题, 只要抓住支配扩散的主要因素,即可得到较为符合实际的结果。该方法的不 足之处在于对概化的灵敏度较高,而且由于物理模型往往需要大量试验材料, 因此可能花费较多的经费。 (4)原型观测、类比分析 在天然流场中,对实际的污染物形成的浓度场进行观测。由于该方法较 之前面几种方法缺乏预测性,因此,一般用来确定解析方法或者数值模拟方法 中需要的扩散系数等参数,或用于验证物理模型和数学模型的可靠性及类似水 环境问题的类比分析。

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