毕业设计-河道的弯曲度对不可分解污染物在弯曲河道中的分布的影响.doc

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毕业设计（论文）说明书

摘要
在本课题的研究中，应用水动力学及污染物传输耦合的数值计算的数值模型，通过建立基于二维和三维不可压缩流体Navier-Stokes方程和湍流k-ε模型的重力流及污染物数值计算的数学模型[1]来模拟河道的弯曲度对不可分解污染物在弯曲河道中的分布的影响，这对处理河道中的突发性污染事件的科学决策有一定的参考作用。由二维和三维的模拟结果可知，河道弯曲度对污染物在河道内的分布主要取决于流速和重力作用的影响。流速的改变主要出现在河道的弯曲处，这时会在弯道处出现回流区和死水区，它会阻碍密度较大的污染物的流动，使得这一侧污染物浓度较大。而在污染物随着水流往下游流动的过程中，重力作用也会显现出来。由于污染物的密度比水要大，这使得污染物在流动的过程中往河底沉降下来，继而在河道底部形成以河道中心线为对称轴的坍塌回聚式震荡的扩散过程。
关键字: 河流 污染物 环境污染 数值模拟 Fluent Gambit

Abstract
In this issue of the study, the application of hydrodynamics and contaminant transport numerical coupled numerical model, Through the establishment of two-dimensional and three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations and fluid turbulence k-ε model of gravity flow and pollutant numerical calculation of the mathematical model [1] to simulate the distribution effection of curvature of river to indecomposable pollution in the river bend , which have some reference to deal with the sudden river pollution incidents in the scientific decision-making. By the results of two-dimensional and three-dimensional simulation,we know the river curvature to the distribution of pollutants in the river channels depends on the velocity and gravity. Velocity change was seen in the river bend, then the back river area and dead zone area will appear in the corners, it will impede the flow of pollutants in high density, making this side with large concentration of pollutants. As the pollutants flow downstream with the water,the influent of gravity will appear. As the contaminants density is larger than water, which makes the pollutants in the flow settle down to the river bottom, and then in the river bottom to form a channel for the symmetry axis of the collapse of the center line of poly-type shock return to the diffusion process.

Keywords：Rivers ，Pollutants， Environment Pollution，Numerical model，Fluent ，Gambit

目录
目录 2
1．引言 4
1.1课题研究背景 4
1.2国内外水污染状况 4
1.3国内外水质模型研究现状 6
1.4弯曲河道污染物分布数值模拟的任务和内容 7
1.5弯曲河道污染物数分布值模拟的意义 8
2．数值计算模型 8
2.1水质模型的介绍 8
2.2.数学模型发展历史 8
2.3三维模拟污染物扩散控制方程 9
2.4模拟边界条件 12
2.5数值计算方法 13
2.6模拟预期结果 14
3 河道各段数据计算 14
3.1河道各段数据和计算公式 14
3.2河道弯曲度为10度的河道数据计算 15
3.3河道弯曲度为35度的河道数据计算 15
3.4河道弯曲度为70度的河道数据计算 15
4 基于Gambit和Fluent技术下二维河道的模拟 16
4.1Gambit软件和Fluent软件的介绍及其特点 16
4.2不同弯曲度河流的二维温度模拟 18
4.2.1河道弯曲度为10度 18
4.2.2 河道弯曲度为35度 20
4.2.3河道弯曲度为70度 21
4.2.4二维温度模拟结果分析 22
4.3不同弯曲度河流的二维速度和密度模拟 22
4.3.1河道弯曲度为10度 22
4.3.2河道弯曲度为35度 24
4.3.3河道弯曲度为70度 26
4.3.4 二维密度模拟结果分析 28
5 基于Gambit和Fluent技术下三维维河道的模拟 29
5.1 10度弯曲河流的三维污染物模拟 29
5.2 35度弯曲河流的三维污染物模拟 33
5.3 70度弯曲河流的三维污染物模拟 39
6 污染物模拟结果分析比较 44
6.1污染物模拟结果总结 44
6.2不同河道弯曲度模拟结果分析比较 44
7 结论 45
参考文献 46
致谢 46
附录 46

1．引言
1.1课题研究背景
20世纪是世界科学技术和经济水平高速发展的黄金时期，伴随着经济水平的迅速提高和世界人口的急剧膨胀，人类对环境资源的需求量也在不断增加，同时对环境的破坏也越来越严重。人类赖以生存的水资源随着水污染的日益加剧也越来越紧张。水资源的匮乏也将制约着全球经济的发展。进入21世纪之后，环境问题也越来越突出，人类的生存环境受到了更多的考验和更大的挑战，这使得环境保护这一重大课题将在未来成为世界各国发展工作中的重中之重。水作为人类的生命源泉，在社会文明的进步和工业的高速发展的过程中，水污染问题日趋严重，逐渐成为世界性的头号环境治理难题。
1.2国内外水污染状况
早在18世纪，英国由于只注重工业发展，而忽视了水资源保护，大量的工业废水废渣倾入江河，造成泰晤士河污染，基本丧失了利用价值，从而制约了经济的发展，同时也影响到人们的健康、生存。之后经过百余年治理，投资5亿多英镑，直到20世纪70年代，泰晤士河水质才得到改善。
19世纪初，德国莱茵河也发生严重污染，德国政府为此运用严格的法律和投入大量资金致力于水资源保护，经过数十年不懈努力，在莱茵河流经的国家及欧盟共同合作治理下，才使莱茵河碧水畅流，达到饮用水标准。
近些年，水质恶化也困扰着美国人。一直以来，纽约市民以自来水质纯美而自豪，其他州的面包商甚至特地使用纽约市自来水以生产货真价实的纽约圈饼。7年前寄生虫侵入密尔沃基供水系统，造成100人死亡，40万人致病后，水质问题备受关注，如今纽约市民每天生活在饮水不净的威胁下。1998年，美国总统克林顿宣布了一项投资23亿美元的清洁水行动计划，治理美国已受污染40%的水域。
在发达国家着手治理和改善水环境的同时，世界上其他发展中国家和经济欠发达国家的水污染却在日益加剧。在非洲，经济的发展和水资源的极度匮乏已经产生了巨大的矛盾，随着工业生产带来的水污染问题的日益加剧，这一矛盾将不断激化。在拉丁美洲，亚马逊河沿岸日益增多的工厂和居民区也使这条美洲国家的母亲河的水质急剧恶化，亚马逊河水质的下降也极大的影响着该流域周围的生态环境。除了这些国家自身对水环境的破坏之外，来自发达国家的高污染行业的进入，进一步增加了对水环境的污染和破外程度。
虽然世界上大多数国家已经认识到污染江河湖泊等天然水资源的恶果，并已经开始着手进行治理，但毕竟已经遭受了巨大的损失，虽然已经醒悟，但为时较晚。而日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，在发展中国家，各类疾病有8%是因为饮用了不卫生的水而传播的，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作"世界头号杀手"。
在我国有82%的人饮用浅井和江河水，其中水质污染严惩细菌超过卫生标准的占75%，受到有机物污染的饮用水人口约1.6亿。长期以来，人们一直认为自来水是安全卫生的。但是，因为水污染，如今的自来水已不能算是卫生的了。一项调查显示，在全世界自来水中，测出的化学污染物有2221种之多，其中有些确认为致癌物或促癌物。从自来水的饮用标准看，我国尚处于较低水平，自来水目前仅能采用沉淀、过滤、加氯消毒等方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。自来水加氯可有效杀除病菌，同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种胃肠癌的最大根源。目前，城市污染的成分十分复杂，受污染的水域中除重金属外，还含有甚多农药、化肥、洗涤剂等有害残留物，即使是把自来水煮沸了，上述残留物仍驱之不去，而煮沸水中增加了有害物的浓度，降低了有益于人体健康的溶解氧的含量，而且也使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加，因此，饮用开水的安全系数也是不高的。据最新资料透露，目前我国主要大城市只有23%的居民饮用水符合卫生标准，小城镇和农村饮用水合格率更低。水污染防治当务之急，应确保饮用水合格。为此应加大水污染监控力度，设立供水水源地保护区。 母亲河黄河1972年第一次断流，1997年断流226天，近700公里河床干涸。海河300条支流，无河不干，无河不臭。华北地下水严重超采，形成面积7万多平方公里的世界上最大的地下水漏斗区，地面下沉，海水入侵。全国668个城市中，有400多个供水不足，100多个严重缺水。上世纪九十年代末以来，土地沙化速度上升到每年3400多平方公里。 更可怕的是，我国水资源总量还在下降。1997年总量为27855亿立方米，而2004年就降到24130亿立方米。从上世纪50年代以来，长江上游20多条河流平均萎缩了37.1％。世界自然基金会3月19日发表报告，将长度与水量均为世界第三的长江列入世界面临干涸的10条大河之一[2]。
我国拥有这么多的大江大河，但随着人口的增长、经济的飞速发展以及对资源日益愈盛的需求，对江河及其附近水域造成的污染也日益严重。例如长江上游三峡库区上游就有大中型工矿企业三千多家，年均船舶流量有十万余艘[3]。而每年长江沿岸的城市和农村地区向长江流域排放的污染物为总量多达250多亿吨，占全国40%以上，其中80%以上的污水未经有效处理就直接排入长江。排入长江的主要污染物有：1.工业废水和生活污水；2。农业面污染；3.航运量激增带来的大量船舶污染。而这些污染物中包括大量有机物和重金属，而这些污染物大多是不可分解或难分解的污染物。长江主干道多为弯曲河道，了解河道的的弯曲度对不可分解污染物在弯曲河道中的分布的影响，对有效应对因此类危险污染物的大量排放的突发事故对水质污染的风险，及时采取有效科学的对策，有很大的帮助。因此有必要建立一具预测能力的、通用性强、可靠的数学模型可对各种可能情形下的污染物在弯曲河道上的变化做出准确的预测，从而为水质的评估、改善及管理提供科学的依据。
1.3国内外水质模型研究现状
水污染作为当今世界性的环境问题，已经越来越得到各个国家的重视。而水质模型作为环境水污染控制，水质规划和环境管理的有效工具，已经被广泛用于水污染方面的各项研究。
第一个水质模型是1925年由美国工程师streeter和phleps提出的氧平衡模型，由phleps在1944年总结和公布，即经典的streeter-phleps水质模型[4]。这个模型的基本原理是相当合理的，所以模型及其某些修正公式至今仍被用于模拟水质。
美国环保局(USEPA) 于1970 年推出QUAL-Ⅰ水质综合型,1973 年开发出QUAL2-Ⅱ模型,其后又经多次修订和增强,推出了QUAL2E、QUAL2E-2UNCAS的水质模型 。
WASP(Water Quality Analysis Simulation Program) 是美国环境保护局提出的水质模型系统,可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟. 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.
MIKE模型体系由丹麦水动力研究所(DHI)开发,包括MIKE11，MIKE21和MIKE3. MIKE11是一维动态模型,能用于模拟河网、河口、滩涂等多种地区的情况,研究的变量包括水温、细菌、氮、磷、DO、BOD、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质. 它有很好的界面,能处理许多不同类型的水动力条件。MIKE21是MIKE11的姐妹模型,在全世界广泛应用,用来模拟在水质预测中垂向变化常被忽略的湖泊、河口、海岸地区. MIKE3 是另一个由DHI 开发的模型,与MIKE21 类似,但它能处理三维空间.
此外欧洲和其他国家也都独立开发了一些水质模型，用于水污染的防治和评估工作。
中国作为一个世界人口大国，近年来伴随着人口的增长，水污染问题也越发突出。除了加强水污染的防治和监管工作之外，利用水质模型来研究污染物对水质的影响也越来越重要。近年来国内关于水质模型的研究大多为二维数学模型，如采用交错C 网格和ADI 法对重庆主城区内的长江及嘉陵江汇流流域进行了流场的数值模拟[5]，以及柳江柳州城区段二维非稳态FVS 格式水流—水质模型[6]等国内研究均为二维数值模型。三维水质模型近年来也得到了很大的发展。基于三维不可压缩流体Navier-Stokes方程和湍流k-ε模型的重力流及污染物数值计算的数学模型对湖泊或水库内水下夹带沉积物的重力流的速度、浓度及沉积物沉积状态的模拟结果和实验结果高度吻合[1]。三维模拟作为一种更加有效地水质评估系统，将会在未来被更加广泛的运用。随着国内三维水质模拟的进一步发展和改进，对有效应对因此类危险污染物的大量排放的突发事故对水质污染的风险，及时采取有效科学的对策，有很大的帮助。
1.4弯曲河道污染物数值模拟的任务和内容
任务：（1）量化。通过对污染物的数值模拟，了解其组成成分的分布情况及其变化规律，从而为决策提供依据。
（2）优化。通过数值模拟，采用科学的规划手段对污染物进行优化处理以及对污染物进行控制和监测，使污染物的含量和组成成分对环境的影响降到最小。
（3）决策。对水环境各种资源进行调度，分配，使得其社会效益和环境效益均达到较理想状态。
（4）控制。使水环境的各资源在管理者的监控之下，发挥其最大的社会效益[7]。
内容：对水流流场、水质浓度场等进行模拟，分析污染物在空间和时间上的变化规律，以实现对水环境的有效规划管理和污染控制。
对一固定流速场中等弯曲度河道内投入较重或较轻的污染物的研究[9]已经存在，但河道弯曲程度对污染物在弯曲河道内的分布特征会有什么影响还未研究。本课题中将通过建立二维和三维模型来模拟不同河流的弯曲度对不可分解污染物在河道中分布的影响。
1.5弯曲河道污染物数值模拟的意义
随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。通过计算机模拟污染物在弯曲河道的分布情况，具有以下重要意义：
（1）掌握水环境内部因子的变化规律；（2）对污染物的变化进行定性和定量的表述；（3）提高水污染治理的规划管理工作的效率；（4）分析和预测污染物对水质的影响，从而采取有效措施去减少污染物对水环境的危害。

2．数值计算模型
2.1水质模型的介绍
任何水质模型都是依据物质质量守恒和能量守恒原理,通过流体力学中的连续方程、运动方程、能量方程推导得出;如考虑水质组分间的相互作用及其自身生化作用影响,可以得出更加全面、综合的水质模型.目前河流水质模型主要采用数值模型，物理模型及模拟模型[8]。其中数值模拟技术的应用为污染后水质的快速分析和处理处置提供形象直观的决策支持工具。数值模拟因其具有物理模拟和模型模拟所无法比拟的经济性、灵活性和适应性, 成为一种常用、有效的模拟方式。计算机技术的发展,计算方法的不断改进,以及前处理和后处理技术的进步促进了数值模拟技术在工程中的广泛应用，也推动数学模拟精确度、可靠度不断提高。数值模拟技术可以在较大的区域内研究工程问题,克服了物理模型的比尺效应;可以方便快捷地进行多方案比选,具有周期短、成本低的优势;可以广泛地进行规律性的探讨,增加工程研究的科学性.
2.2.数学模型发展历史
数学模型按不同的标准有不同的分类，若以空间的维数来划分有零维、一维、二维及三维模型。始于二十世纪初早期的模型如污染物衰减的动力学方程及 Streeter-Phelps的氧平衡模型为简单的零维或一维模型。尽管很早就确立了污染物迁移的三维模型微分方程，由于其求解，特别是对于与之相关的含湍流的流体的 Navier-Stokes方程求解的困难，上世纪七十年代之前的水质数学模型多停留在一维及一些具简单几何形状及特殊边界条件的有解析解的二、三维模型。这些模型除了上述的几何形状及特殊边界条件的限制外，还需假定已知水体为均匀流速。其后随着计算机技术及计算流体力学的发展，涌现了一大批基于数值计算的可应用至复杂几何形状的水体水质模拟的二、三维模型。由于通用三维模型的复杂性，现行研究的不少模型依然是基于二维浅水方程或深度平均方程，应用不同数值解法如通量向量分裂法（FVS）、格子 Boltzmann法(LBM)等 。这些方法尽管可以一定程度地满足水质分析的需要，但也存在一些缺陷，如不能解析边界层及污染物在深度方向上的变化，模拟的精度很大程度地依赖通过经验或实验确定的横向及纵向的紊流及弥散扩散系数等。本课题中所建立的基于三维不可压缩流体 Navier-Stokes方程和湍流 k-ε模型的重力流及污染物数值计算的数学模型可以很好地克服深度平均模型的上述缺陷，精确模拟污染物浓度在河流的弯曲度分布情况和三维空间及时间上的变化情况。
2.3 三维模拟污染物扩散控制方程
应用不可压缩流体的Navier-Stokes方程，构建流体运动的力学模型[5]。水流运动的质量和动量守恒的方程分别如下：
（2.3.1）
（2.3.2）
其中ui是坐标轴xi方向的雷诺平均速度，t为时间，p为压强，ρ和μ分别为液体密度、粘度， t m 为涡粘度。考虑到污染物和环境液体的密度不同，进行了浮力项修正的标准k-ε模型被用来模拟湍流动能k及湍流耗散速率ε。涡粘度依下式求得
(2.3.3)
第k(k=1,2,3,4,5…)污染物浓度的传输方程为：
(2.3.4)
式中γsk 为第k种粒子状污染物在水中的下沉速度，对可溶性污染物，其值为零；d 为克罗内克符号， t u 为运动涡粘度，Sc为施密特数[1]。
2.4模型边界条件
边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是FLUENT分析得很关键的一部分。
边界条件的分类：（1）进出口边界条件：压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件、质量出口、通风口、排气扇；壁面、repeating, and pole boundaries:壁面，对称，周期，轴；内部单元区域：流体、固体(多孔是一种流动区域类型) ；（2）内部表面边界：风扇、散热器、多孔跳跃、壁面、内部等。下面介绍常见的几种边界条件。
(1)速度入口(velocity-inlet)：给出入口边界上的速度。
给定入口边界上的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压速流动问题，对可压缩问题不适合，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。
(2)压力入口(pressure-inlet)：给出入口边界上的总压。
压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动。压力入口条件还可以用于处理自由边界问题。
压力入口条件需要输入的参数有总压、总温、流动方向、静压、湍流量(用于湍流计算)、辐射参数(考虑辐射)、化学组分质量分数(考虑化学组分)、混合分数及其方差(用PDF燃烧模型)、progress variable(预混燃烧计算)、离散相边界条件(稀疏相计算)及第二相体积分数(多相计算)等。
(3)质量入口(mess-flow-inlet)：给出入口边界上的质量流量。
质量入口边界条件主要用于可压缩流动；对于不可压缩流动，由于密度是常数，可以用速度入口条件。
质量入口条件包括两种：质量流量和质量通量。质量流量是单位时间内通过进口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过的质量。如果是二维轴对称问题，质量流量是单位时间内通过2π弧度的质量，而质量通量是通过单位时间内通过1弧度的质量。给定入口边界上的质量流量，此时局部进口总压是变化的，用以调节速度，从而达到给定的流量，这使得计算的收敛速度变慢。所以，如果压力边界条件和质量边界条件都适用时，应优先选择用压力入口边界条件。对于不可压速流动，由于密度是常数，可以选择用速度进口边界条件。
(4)压力出口(pressure-outlet)：给定流动出口边界上的静压。
对于有回流的出口，该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。给定出口边界上的静压强(表压强)。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如果当地速度已经超过音速，该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流动计算结果给定。其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题，合理的给定出口回流条件，有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。
出口回流条件需要给定：回流总温(如果有能量方程)、湍流参数(湍流计算)、回流组分质量分数(有限速率模型模拟组分输运)、混合物质量分数及其方差(PDF计算燃烧)。如果有回流出现，给定的表压将视为总压，所以不必给出回流压力。回流流动方向与出口边界垂直。在出口压力边界条件给定中，需要给定出口静压(表压)。当然，该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速，则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是，这里的压力是相对于前面给定的工作压力。
(5)无穷远压力边界(pressure-far-field)：该边界条件用于可压缩流动。
如果知道来流的静压和马赫数，FLUENT提供了无穷远压力边界条件来模拟该类问题。该边界条件适用于用理想气体定律计算密度的问题。定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速、跨音速或者超音速。并且需要给定流动方向，如果有需要还必须给定湍流量等参数。
无穷远压力边界条件是一种不反射边界条件。
(6)自由出流(outflow)：对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形，可以选择自由出流边界条件。
这类边界条件的特点是不需要给定出口条件(除非是计算分离质量流、辐射换热或者包括颗粒稀疏相问题)。出口条件都是通过FLUENT内部计算得到。但并不是所有问题都适合，但含压力进口条件，可压缩流动问题，有密度变化的非稳定流动问题(即使是不可压缩流动)时不可用。
用出流边界条件时，所有变量在出口处扩散通量为零。即出口平面从前面的结果计算得到，并且对上游没有影响。计算时，如果出口截面通道大小没有变化，采用完全发展流动假设。当然，在径向允许有梯度存在，只是假定在垂直出口面方向上扩散通量为零。
(7)对称边界(symmetry)：对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形。
在对称轴或者对称平面上，既无质量的交换，也无热量等其他物理量的交换，因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零。在对称轴或者对称平面上，所有物理量在其垂直方向上的梯度为零。因此在对称边界上，垂直于边界的速度分量为零，任何量的梯度也为零。
计算中不需要给定任何参数，只需要确定合理的对称位置。该边界条件可用于黏性流中运动边界处理。
(8)周期性边界(periodic)。
如果我们关心的流动，其几何边界，流动和换热是周期性重复的，那么可以采用周期性边界条件。FLUENT提供了两种类型：一类是流体经过周期性重复后没有压降(cyclic)；另外一类有压降(periodic)。
(9) 固壁边界(wall)。
对于黏性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。对于壁面有平移运动或者旋转运动时，可以指定壁面切向速度分量，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根据流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部辐射换热与对流换热等。
(10) )进口通风(inlet vent)：进口通风边界条件需要给定入口损失系数、流动方向和进口环境总压和总温。
对于进口通风模型，假定进口风扇无限薄，通风压降正比于流体动压头和用户提供的损失系数。
(11) )进口风扇(intakefan)：进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向和环境总压和总温。
假定进口风扇无限薄，并且有不连续的压力升高，压力升高量是通过风扇速度的函数。如果是反向流动，风扇可以看成是通风出口，并且损失系数为1。压力阶跃可以是常数，或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。
(12 )出口通风(outletvent)。
出口通风边界条件用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数以及环境(出口)压力和温度。排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。出口通风边界条件需要给定如下参数：静压、回流条件、辐射参数、离散相边界条件、损失系数。
2.5数值计算方法
本课题中采用的数值模拟的基本方法为Ferziger and Peric(1999) 所描述的适用于非正交网格的有限体积元法（FV）。该方法的优点是可使模型方程保持其原始形式且各离散项都有清晰的物理意义,有助于进一步分析和编程。对模型方程的对流项采用近似于二阶精度的中心离散及迎风格式的混合法，扩散项的浓度梯度按具有二次精度的高斯定理计算。对非恒定项采用二阶精度隐式方案。在对守恒方程的各项离散后，任何一个网格单元中心最终的离散方程式可写成一个线性方程式，对整个模拟区域的网格线性离散后即得到一线性方程组。然后应用收敛快的迭代数值求解该线性方程组，求得未知变量。
数值计算的关键之处在于制作网格，然后再倒入Fluent软件进行详细的计算。FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对复杂的几何结构网格生成非常有效。FLUENT还可以根据计算结果对网格进行调整，这对于精确求解有较大的梯度的流场有很实际的效果。由于网格自适应和调整值在加密区实施，而非整个流场，因此可以节约时间。
利用FLUENT软件进行流体流动的模拟计算。首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建，边界类型以及网格的生成，并输出用于用于FLUENT求解器计算公式的格式；然后利用FLUENT进行计算，其中求解器是流体计算的核心，所有计算在此完成，主要功能是导入前处理器生成的网格模型，提供计算的物理模型，确定材料的特性，施加边界条件，完成计算并进行计算结构的后续处理。后处理软件是从各个方面观察流体计算结果。
FLUENT程序可以求解可压缩和不可压缩流动、稳态和瞬态流动、牛顿流体和非牛顿流体 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动模拟、两相流、复杂表面形状下的自由流动等问题。在本课题中，运用FLUENT求解和模拟不可压缩流。
2.6模拟预期结果
本课题中基于不可压缩流体的RANS方程和湍流k-ε模型建立的关于污染物及沉积物在水体中迁移的二维和三维动力学模型，选取10度、35度和70度三种河道弯度对不可分解污染物的分布情况进行验证，并最终得出所需要的数据以及污染物在不同弯曲度分布情况较为准确的特征。

3 河道各段数据计算
3.1河道各段数据和计算公式
本课题研究对象为天然河道的弯曲度对污染物在弯曲河道内的分布特征的影响。在本次设计中分别选取了10度，35度，70度三种不同弯曲度的河道进行研究。河道的断面尺寸如下图所示：

图3.1 河道断面尺寸图

河道横向坐标用下面的公式进行计算：
ds=λ/网格数（20）
θ=Ω*sin(2π(x-xo)/λ)
λ=40m Ω=10度，35度，70度
x(i)=x(i-1)+ ds*cosθ(i-1)
y(i)=y(i-1)+ ds*sinθ(i-1)
z(i)= y(i-1)- ds*坡度
坡度=0.2/1000=0.0002
3.2河道弯曲度为10度的河道数据计算
河流横向长度取170m,其中前40m为直河道，河道取两个正弦弯曲河道，λ=40m，弯曲河道后为50m直河道。如下图所示。

图3.2 10度弯曲河道横向断面图

由于河道的前四十米和后五十米为直河道，故不需要对其进行坐标计算，只需要对两个正弦弯曲河道的坐标进行计算。在x轴方向上，取一米长为一个计算单位，代入公式进行计算。河道各点坐标的计算结果见附表。
3.3河道弯曲度为35度的河道数据计算
河道横向图如下所示。

图3.3 35度弯曲河道横向断面图

河道各坐标的计算方法同弯曲度为10度的河道，各坐标的计算结果见附表。
3.4河道弯曲度为70度的河道数据计算
河道横向示意图如下所示。

图3.4 70度弯曲河道横向断面图

河道各坐标的计算方法同弯曲度为10度的河道，各坐标的计算结果见附表。

4 基于Gambit和Fluent技术下二维河道的模拟
4.1Gambit软件和Fluent软件的介绍及其特点
GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包[10]。GAMBIT通过它的用户界面（GUI）来接受用户的输入。GAMBIT GUI简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤。
GAMBIT软件具有以下特点[11]：
ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力；
可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格；
可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工作量；
新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便；
强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度；
强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格；
先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量；
居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足CFD分析的需要；
GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格；
可为FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。
FLUENT软件是用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动的CFD商业软件包。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
FLUENT软件具有以下特点[12]：
FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；
定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能；
FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；
FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；
FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；
FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、