摘要：環(huán)境水力學(xué)是渦旋由環(huán)境科學(xué)與水力學(xué)互相滲透，互相融合而發(fā)展起來的理論一門新興學(xué)科。近二十年來，發(fā)展隨著社會的混凝需要，環(huán)境水力學(xué)科發(fā)展的過程很快。本文首先介紹了環(huán)境水力學(xué)研究的應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和面臨的渦旋問題，然后就環(huán)境水力學(xué)中的理論渦旋現(xiàn)象，根據(jù)水力旋流理論及絮凝動力學(xué)的發(fā)展微渦旋理論，對混凝機理的混凝進行了初步的研究，同時對渦旋在混凝過程中的過程應(yīng)用做了一個全面的綜述，以期對高效混凝過程有一個更清晰的應(yīng)用認識。
關(guān)鍵詞：渦旋理論 混凝 紊流模型
1 緒論
環(huán)境水力學(xué)，渦旋是理論形成和建立不久的一門新的學(xué)科分支。它研究的發(fā)展對象既有水力學(xué)的問題，也包括環(huán)境問題。水力學(xué)作為水利科學(xué)的一個分支，已有悠久的歷史；而環(huán)境科學(xué)是近二三十年才發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，環(huán)境水力學(xué)正是在古老的水力學(xué)嶄新的環(huán)境科學(xué)的結(jié)合點上生長起來的一門交叉學(xué)科。正是由于這樣的交叉，使得環(huán)境水力學(xué)的理論中既繼承了許多傳統(tǒng)的內(nèi)容，也不斷地在發(fā)展著自己持有的理論基礎(chǔ)，涉及到的內(nèi)容有水力學(xué)或流體力學(xué)的基本理論，及環(huán)境科學(xué)的一般理論；還有屬于本學(xué)科自身發(fā)展起來、不斷充實的一些理論，如污染物在天然水體中的稀釋擴散規(guī)律、天然凈化機理，各種水體(海洋、河流、湖泊)中，各種排放條件下污染物的遷移、運動規(guī)律，同時也研究環(huán)境工程中的水力學(xué)問題，如中水力學(xué)特性對沉淀效率的影響、過濾裝置中水流的特性及對處理效率的影響等等[1，2]。下面，將分別介紹環(huán)境水力學(xué)在環(huán)境方面的研究、應(yīng)用情況。
1.1 環(huán)境水力學(xué)研究的現(xiàn)狀[3]
20世紀(jì)70年代以來，隨著水環(huán)境問題研究的深入和相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境水力學(xué)無論在深度和廣度上都取得了很大的進展。
遠區(qū)紊動擴散與離散的研究從對規(guī)則邊界中的恒定流動向復(fù)雜流動和非恒定流動發(fā)展，如天然河流、山區(qū)河流、分漢河段[4]、交匯河段[5]、潮汐河段[6]、尾流[7]、分層流[8]等。
與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動中的復(fù)雜射流發(fā)展，如橫流、分層流、淺水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋動射流等。
使時均流場與物質(zhì)濃度場控制方程封閉的紊流模型由簡單模型向精細模型發(fā)展，如K-
雙方程紊流模型，基于重整化群RNG的K—雙方程紊流模型，雷諾應(yīng)力傳輸方程模型及大渦模擬等。
水流-水質(zhì)計算模型由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動態(tài)模型發(fā)展；被模擬的狀態(tài)變量不斷增多，由開始的幾個增加到二三十個，模擬的變量由非生命物質(zhì)如“三氧”(溶解氧、生物化學(xué)需氧及化學(xué)需氧)、“三氮”(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)等等向細菌、藻類、浮游動物、底棲動物等水生生物發(fā)展；應(yīng)用范圍由河流、水庫、湖泊等單一水體向流域性綜合水域發(fā)展；
計算的時空網(wǎng)格數(shù)幾何增長，地理信息系統(tǒng)開始在水質(zhì)模型中應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)試驗中的研究與應(yīng)用，有力地推動著環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展[2]。
1.2 環(huán)境水力學(xué)研究的趨勢[3]
1.2.1 研究對象由無生命組分進入有生命組分，并向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展
20世紀(jì)60年代以前，環(huán)境水力學(xué)僅限于研究水域中非生命物質(zhì)的擴散、輸移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，70年代以來，隨著水體富營養(yǎng)化等生態(tài)問題的突出，其研究對象擴展到藻類、浮游動物、魚類、底棲動物等水生生物。水流條件、邊界條件、非生物組分與生物組分間的相互作用以及水生物組分間的食物鏈關(guān)系成為環(huán)境水力學(xué)研究的重要內(nèi)容，污染動力學(xué)與生長動力學(xué)結(jié)合使環(huán)境水力學(xué)向著生態(tài)水力學(xué)發(fā)展。
1.2.2 結(jié)臺“3S”，水流-水質(zhì)模型的研究范圍從單一局部水域向綜合水域發(fā)展
隨著計算機和空間技術(shù)的發(fā)展，RS與GPS技術(shù)已能夠同時獲取大量的不同分辨率多譜段的可見光、紅外、微波輻射和測視雷達的數(shù)據(jù)，目前己與GIS結(jié)合進入一個能快速即時提供多種對地觀測的具有整體性的動態(tài)資料，并對這些資料進行分析與處理的新時段。
1.3 環(huán)境水力學(xué)研究面臨的問題[3]
1.3.1 “三水”轉(zhuǎn)換的水質(zhì)模擬
“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文學(xué)、水力學(xué)及地下水動力學(xué)中從水量與水流的角度對“三水”的轉(zhuǎn)化關(guān)系曾進行過研究，但尚未從水質(zhì)的角度進行過研究。其實無論是從水量還是從水質(zhì)來說，“三水”之間都存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系，目前的水質(zhì)模擬中“三水”基本上是獨立的，彼此間的影響只作為一種邊界條件來體現(xiàn)，沒有作為一個相互影響的綜合系統(tǒng)來考慮。為從源頭治理水污染，需研究“三水”之間的水質(zhì)轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立“三水”轉(zhuǎn)換的水量—水質(zhì)模型，為氣、水、土和生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理提供技術(shù)支持。
1.3.2 挾沙水流的水質(zhì)與生態(tài)模擬
到目前為止，國內(nèi)外的水質(zhì)與生態(tài)模擬基本上是針對清水水域的．這主要體現(xiàn)在模擬需用的物質(zhì)濃度是采用清水觀測方法監(jiān)測的。國內(nèi)外普遍規(guī)定對挾沙的渾水需將水樣過濾或澄清，用清水中的物質(zhì)濃度作為觀測濃度，該濃度值未計入泥沙中所含的物質(zhì)量。在水質(zhì)模擬中泥沙對水質(zhì)的影響也只反映在水域底部處于不沖不淤前提下泥沙對物質(zhì)的吸附或釋放。天然實測資料表明，渾水樣和澄清水樣的物質(zhì)濃度差別很大。
2 渦旋的理論基礎(chǔ)
圖 1-1渦旋現(xiàn)象
渦旋亦稱有旋流，是做旋轉(zhuǎn)運動的一種流體運動。流體本身不僅發(fā)生轉(zhuǎn)動，而且其中任一股小單元均繞著瞬時軸線，以某一角速度做旋轉(zhuǎn)運動。在自然界中，龍卷風(fēng)、旋風(fēng)、水流過橋墩時的旋渦等，都是旋渦運動。如左圖1-1顯示的是水流形成的渦旋。
2.1 渦線、渦管、渦束和旋渦強度[9]
渦線是在某瞬時渦量場小所作的一條空間曲線，在該瞬間，位于渦線上的所有流體質(zhì)點的旋轉(zhuǎn)角速度向量。均與該線相切。因此，渦線是給定瞬時曲線上所有流體質(zhì)點的轉(zhuǎn)動軸線。見圖2-1
渦線的形狀及在空間的位置都隨時間而不斷變化。但在恒定流動中，渦線的形狀保持不變。一般情況下。渦線與流線不重合，而與流經(jīng)相交。與流線方程類同，可以得到渦線的微分方程：
（1）
顯然，由于渦線的瞬時性，t應(yīng)該是渦線方程的一個參變量。給定瞬時，在渦量場中，過任意封閉圍線(不是渦線)上各點，作渦線所形成的狀表面，稱為渦管。若渦管中充滿著旋轉(zhuǎn)運動的流體質(zhì)點．就稱為渦束。
旋轉(zhuǎn)角速度沿渦束長度改變，但在微小渦束的每一個截面上，流體質(zhì)點以同一角速度旋轉(zhuǎn)，旋渦在流場中對周圍流體的影響，以及沿渦束的變化，決定于旋轉(zhuǎn)角速度向量的和渦所包含授體的多少(用截面積A來表示)。如果面積A是渦束的某一橫截面積，A就稱為渦束旋渦強度，它也是旋轉(zhuǎn)角速度矢量ω的通星，稱之為旋渦通量。旋渦強度不僅取決于ωn而且取決于A。
流體質(zhì)點的旋轉(zhuǎn)角速度向量無法直接測量，所以旋渦強度不能直接計算。但是，旋渦強度與它周圍的速度密切相關(guān)，旋渦強度愈大，即或者角速度放大，或者渦束的截面積大，對周圍角度的影響也就愈大。因此，這里引入與旋渦周圍速度場有關(guān)的速度環(huán)量的概念，建立速度環(huán)量與旋渦強度之間的計算關(guān)系。這樣，通過計算渦束周圍的速度場，就可以得到旋渦強度。應(yīng)用斯托克斯定理，通過計算速度環(huán)量，可以決定封閉圍線所包圍的面積中全部旋渦的強度。
2.2 渦旋的基本定理[10]
2.2.1 斯托克斯定理
關(guān)于速度環(huán)量與旋渦強度的斯托克斯定理：沿任意封閉周線上的速度環(huán)量，等于穿過該周線所包圍面積的旋渦強度的兩倍，即
（2）
顯然，如果周線上所有各點的速度與周級垂直，那么，沿該周線的速度環(huán)量等于零。這一定理將旋渦強度與速度量聯(lián)系起來，結(jié)出了通過速度環(huán)量計算旋渦強度的方法。
2.2.2 湯姆遜定理
湯姆遜(Tbomson)定理：在有勢質(zhì)量力的作用下，在理想的正壓性流體中，沿任何封閉流體圍線的速度環(huán)量不隨時間變化，即
（3）
由湯姆遜定理可以得出，如果理想流體從靜止?fàn)顟B(tài)開始流動，流動中始終沿相同流體質(zhì)點組成的封閉圍線線，它的速度環(huán)量等于零。根據(jù)斯托克斯定理，旋渦強度由速度環(huán)量度量。因此，在有勢質(zhì)量力的作用下，理想不可壓縮液體，若初始沒有旋渦，旋渦不可能在流動過程個自己產(chǎn)生；或者相反，若初始有旋渦，流動中也不會自行消失。如果從靜止開始的流動，由于某種原因產(chǎn)生了旋渦，則在該瞬間必然會產(chǎn)生一個環(huán)量大小相等方向相反的旋渦，保持環(huán)量為零。實際上，只有存在著粘性的真實流體，旋渦才會產(chǎn)生和消失。因而，不能應(yīng)用湯姆遜定理。但當(dāng)粘性影響較小，且時間比較短的情況下，真實流體也可以應(yīng)用暢姆遜定理。
2.2.3渦管特性的亥姆霍茲三定理
亥姆霍茲(Helmho1ts)第一定理：在同一瞬時沿渦管長度，旋渦強度保持不變。這一定理說明，流動空間中的渦管，既不能突然中斷，也不能突然產(chǎn)生。同樣，渦管也不能以尖端形式出現(xiàn)，因為當(dāng)Aj0時，必須有ωn∞，而這是不可能的，所以流體中的旋渦不能以尖端發(fā)生或告終。亥姆霍茲第一定理決定了在流動過程中渦管存在的形式，它只能自成封閉管圈，或者渦管的兩端附在邊界上。對于真實流體，由于粘性摩擦力消耗能量，渦管將在運動中逐漸消失。
亥姆霍茲第二定理：在有勢質(zhì)量力作用下的正壓性理想流體中，渦管永遠保持相同的流體質(zhì)點組成而不被破壞。因為渦管表面上不可能有渦線通過，根據(jù)斯托克斯定理，沿封閉圍線L的環(huán)量ГL＝0。又由湯姆遜定理，環(huán)量不隨時間而變化，所以沿封閉圍線入上環(huán)量保持為零。沿封閉圍線L上環(huán)量保持為零。這說明在任何時候，都不可能有渦線穿過任何圍線所包圍的面積，所以，隨時間變化，雖然渦管的形狀會不斷變化，但組成渦管的流體質(zhì)點永遠在渦管上，渦管能夠保持不變而不被破壞。
亥姆霍茲第三定理：在有勢質(zhì)量力作用下的正壓性理想流體中，渦管的旋渦強度不隨時間變化。
亥姆霍茲第一定理說明同“瞬時沿渦管長度旋渦強度保持不變，它是斯托克斯定理的推論，說明同一瞬間空間上旋渦的變化情況，這是個運動學(xué)的問題，對理想或粘性流體部成立。第二、第三定理說明渦管的旋渦強度不隨時間改變、它由斯托克斯定理和湯姆姆遜定理加以證明。對于真實流體，粘性摩擦消耗能量會使旋渦強度逐漸減弱，因此，第二、三定理只適用于理想的正壓流體。
2.3 渦旋速度和壓強的分布[10]
由流體微團形成的旋渦，可看作—個如同剛體那樣轉(zhuǎn)動的渦核。渦核(線)在靜止流體中旋轉(zhuǎn)時，由于流體的粘性作用，將帶動周圍的流體圍繞渦核作圓周運動。顯然，剛開始時。由于速度梯度大，存在比較大的粘性作用，以后逐漸減小，當(dāng)周圍運動穩(wěn)定后，粘性作用就變得很小，這時流體粘性作用可以略去不計，看作為理想流體。
渦核在周圍的流體中感生出速度，使在整個流域形成面生速度場(這種感生的流場是二元流動，流體只有由渦核感生的圓周運動)、所以流場內(nèi)某點(r＞r0)的速度為
（4）
渦核內(nèi)流體作有旋運功，不能應(yīng)用拉格朗日。旋渦區(qū)內(nèi)流線是以原點為圓心的同心園簇，可以沿流線應(yīng)用伯努利方程，但這—方程不能解出不同流線間的壓強分布，可采用歐拉運動微分方程求解。
在旋渦區(qū)內(nèi)愈靠近中心，壓強P急驟降低，因此在旋渦中心處產(chǎn)生一個很大的吸力，對旋渦區(qū)外的流體具有抽吸作用。
2.4 渦旋的拉伸[11]
湍流是有旋運動，湍流是由各種尺度的大小渦旋組合而成的。湍流場中流體微團變形和旋轉(zhuǎn)的強烈相互作用是湍流的重要機理。隨渦旋拉伸，渦線改變方向等過程的進行，流場愈變得復(fù)雜起來，需要以隨機理論進行分析。根據(jù)隨機游動理論，一個隨機運動的質(zhì)點，在平均意義上，離開起點的距離是增加的，這意味著，位于給定渦線端點的兩質(zhì)點，在有隨機擾動的流場中，它們之間的長度盡管會縮短，但平均起來總是增加的；渦旋總是拉伸的，渦量是增加的。
渦旋發(fā)展的一個主要機理是渦旋的拉伸。下面分幾點說明渦旋拉伸的性質(zhì)及其產(chǎn)生的結(jié)果。
(1) 渦旋變形的影響以拉伸為主，拉伸導(dǎo)致渦量的強化?？偟恼f來，元渦拉伸，斷面縮小，渦量加強是主要的。
(2) 渦旋拉仲的發(fā)展說明紊動必然是三維的。對于紊流，盡管時均流動可以是二維的，紊動則必然是三維的，即瞬時量必然是三維的。
(3) 渦旋拉伸的發(fā)展導(dǎo)致小尺度渦旋的各向同性。元渦在一個方向例如X1方向的拉伸縮小了斷面而強化了渦量，其結(jié)果增大了另外兩個方向的流速分量，這樣使得鄰近的X1、X2兩個方向的元渦也受到拉伸。伯勒特梭(Bradshaw，P．)提出紊動渦旋的“家譜”(圖2-2)來描述紊動的發(fā)展過程。由圖可見，一個方向渦旋的拉伸誘發(fā)另外兩個方向渦旋的拉伸，如此“一代一代”傳遞下去，各方向的渦旅分布愈來愈趨于均勻。因此得出結(jié)論：在紊流中，小尺度渦旋沒有特殊的方向性，即具有各向同性的待征。
2.5 渦旋級串的形成[11]
根據(jù)湯森等人的研究，存在于時均流動的各種尺度渦旋中，以方向和流場中的正應(yīng)變主釉大體一致的渦旋為主，從時均流動吸取能量，然后逐級傳遞下去。由于渦旋拉伸，尺度逐級變小，轉(zhuǎn)速則增大，粘性應(yīng)力梯度也隨之增大，粘性對渦量的擴散愈來愈重要。當(dāng)粘性對渦量的擴散與拉伸對渦量的加強互相平衡時，渦旋尺度不再減小，而達到極限，最后能量通過小尺度的渦旋耗損轉(zhuǎn)化為熱能。這樣形成一個渦旋的級串(vortex cascade)。
在渦旋尺度還沒有小到足以使粘性發(fā)揮作用以前，能量逐級傳遞的過程可以認為相粘性無關(guān)。消耗能量的數(shù)量則決定于開始下傳能量的數(shù)量。
2.6 渦旋的運動[11]
由于渦旋運動的復(fù)雜性及邊界條件的多變性，目前對渦旋問題尚難提出理論的精確解。一般根據(jù)N-S方程組，再根據(jù)所研究問題的邊界條件進行簡化分析。
