风速引起的湍流对挥发性污染物传质的影响

2024年6月11日发(作者：)

风速引起的湍流对挥发性污染物传质的影响

陈丽萍;程璟涛;蒋军成;邓广发

【摘 要】In order to analyze the effects of the turbulence in air and water,

and the interface induced by wind velocity on the volatilization and mass

transfer process of volatile pollutants at the water-air interface, a water-air

coupling diffusion model of volatile pollutants and a realizable k-e model

were combined to predict temporal and spatial distribution of the volatile

pollutants after leakage. Analysis results show that the time-averaged

velocity gradient increased with the wind velocity near the air-water

interface, leading to an increase in the turbulent kinetic energy and

dissipation rate. The increase of turbulent kinetic energy and dissipation

rate promoted the volatilization and mass transfer process in the rear

region of pollutants. The higher the wind velocity was, the larger space the

rear region of concentration occupied; the greater the turbulent kinetic

energy and dissipation rate were, the more rapidly the pollutant

concentration in water decreased. The effect of wind velocity on pollutant

diffusion in the air was seen earlier than that in the water. The

improvement degree of the turbulent dissipation rate that increased with

wind velocity was more significant than that of the turbulent kinetic energy

that increased with wind velocity.%为分析风速引起的水、气及其交界面的湍流

对挥发性污染物在水气交界面挥发传质的作用,将挥发性污染物水气耦合扩散模型

与可实现k-ε模型相结合,预测挥发性污染物水体点源泄漏后的时空分布.分析结果

表明:风速增加,水气交界面附近时均速度梯度增加,进而导致湍动能和湍能耗散率增

加.风速引起的湍动能和湍能耗散率的提高增强了污染团尾部的挥发传质,风速越大,

污染团尾部的浓度分布占据的空间越大.湍动能和湍能耗散率越高,水中污染物浓度

下降越快.风速对气侧污染物扩散的影响要先于对水侧污染物扩散的影响.湍能耗散

率随风速增加而增加的程度高于湍动能随风速增加而增加的程度.

【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(000)006

【总页数】5页(P610-614)

【关键词】湍流;风速;挥发性污染物;水气交界面;传质

【作 者】陈丽萍;程璟涛;蒋军成;邓广发

【作者单位】南京工业大学城市建设与安全工程学院,江苏南京210009;南京工业

大学城市建设与安全工程学院,江苏南京210009;南京工业大学城市建设与安全工

程学院,江苏南京210009;江苏方天电力技术有限公司,江苏南京211102

【正文语种】中 文

【中图分类】TV131.2;X522

准确预测挥发性污染物泄漏后在水体和大气中的时空分布，能为水气生态环境健康

诊断、控制管理提供重要依据。挥发性污染物泄漏后在水气中的时空分布受到诸多

因素影响，如污染物种类，水、气及其交界面的流态等。由于水气界面上挥发性污

染物挥发传质的复杂性，迄今为止，人们对其机理尚不清楚。本文探讨了由风速引

起的水、气及其交界面的湍流对挥发性污染物挥发传质的作用。水气交界面附近的

流动结构性质很独特:如分界面通常不平整;在水流速度非常高时会形成自然掺气，

水流速度较高时水面上有波出现，水流速度较低时，分界面本身变形不大，气侧的

流动性质与气流绕过固体边界的流动性质相似，而水侧却并非如此［1-2］。这主

要是因为水气交界面水侧的时均流速梯度很小，因而在水气交界面附近耗散的湍动

能只能来源于自由液面以下水侧产生的湍动能及水气交界面以上通过压强场传递的

湍动能［3］。从这一点来看，水气交界面附近的流动结构极大地依赖于水侧的涡

与水气交界面的碰撞。但当气流速度较高时，水气交界面附近的流动结构也与气侧

的湍流运动有关。

目前还很难通过实验得到水气交界面附近流场的准确数据，数值模拟成为研究水气

交界面湍流结构的有效方法。根据数值模拟的精细程度，湍流数值模拟可分为直接

模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均数值模拟(RANS)［4］。Kawamura等

［5-6］将水气交界面上的速度和剪切应力耦合，用DNS方法模拟了水气交界面

的湍流结构，但由于DNS方法对计算机内存和计算速度的要求非常高，目前该方

法无法用于工程实际。Magnaudet等［7］用LES方法研究了水气交界面上湍流

结构及传质过程。Hasegawa等［8-9］提出了DNS和LES相混合的方法:在水气

交界面上的模拟用DNS方法;而水、气交界面附近的水、气模拟用 LES方法。

Hasegawa等［8-9］虽然考虑了水、气流动的动量耦合，但没有考虑污染物浓度

耦合。

本文用气液两相流VOF(volume of fluid)方法捕捉水气交界面［10］，用可实现

k-ε模型计算水气交界面湍流结构，在此基础上利用挥发性污染物水气耦合扩散模

型预测挥发性污染物点源泄漏后的时空分布，分析风速引起的水气湍流对水气交界

面上挥发性污染物挥发传质的作用机理。

1 数学模型

1.1 VOF动力学模型

气液两相流VOF方法是常见的捕捉水气交界面的方法，该方法中质量守恒、动量

方程及捕捉水气交界面体积百分比函数α方程如下［11］:

式中:ui——网格单元总速度;ρ——网格单元总密度，由液体、气体的体积加权平

均得出;u LIQ i——液体速度;u GAS i——气体速度;ρGAS——气体密度;p——压

强;ηt——湍流运动黏性系数;fj——质量力，本文中质量力仅有重力。水气交界面

上，0＜α＜1。

1.2 湍流计算模型

对时均应变率特别大的情形，标准k-ε模型会导致负的正应力，这是不可能实现的。

为保证计算结果的可实现性，本文湍流计算采用可实现k-ε模型。k，ε方程分别

为［12］

其中

式中:S——应变率;k——湍动能;ε——湍动能耗散率;σm，σn，C2，C1——湍流

系数，σm=1.0，σn=1.2，C2=1.92;η——分子黏性系数。

ηt由下式确定:

其中

式中:A0，A s，U* ——系数;Ωi，ji，j——涡通量;ωk—— 角速度;δi，j，k——

里奇(Ricci)符号，j——从角速度为ωk的参考系中观察到的涡通量。

1.3 挥发性污染物水气耦合扩散模型

由亨利定律表达式知，污染物在气相中的质量浓度C GAS与液相中的质量浓度C

LIQ之比为量纲为1的亨利常数H aw，即H aw=C GAS/C LIQ。忽略化学反应，

挥发性污染物水气耦合扩散模型表达式为

式中:C——网格单元总质量浓度;Ei，D——污染物在液相、气相中湍流质扩散系

数，为ηt与Schmidt数之比。

2 模拟分析

2.1 模拟条件

计算域长直水槽14.0 m×0.4 m×0.4 m，空气部14.0 m×6.4 m×2.6 m。坐标原

点取在水槽中部靠岸，水槽底部。水流动方向为x正方向，水槽宽度方向为y，垂

直向上为z方向。进口边界划分为水流速度进口和空气速度进口，进口的k，ε值

由经验公式给出。假设出口断面为充分发展的湍流，所有物理量一阶法向梯度为零，

50 mL质量浓度为2 g/L的三氯乙烯溶液在x=1.25 m，y=0.20 m处瞬时泄漏。

三氯乙烯的H aw为0.49，在水和空气中的Schmidt数分别取754和1.03

［13］。在交错网格上，数值离散用有限体积法，速度压力耦合用PISO算法，时

间差分采用Crank-Nicholson格式。风速太高，水气交界面将变为非连续界面，

而本文研究连续水气交界面上风速引起的湍流对挥发性污染物挥发传质的影响，故

模拟风速较低，分别取0.4 m/s，0.8 m/s和1.2 m/s。模拟平台为开源计算流体

力学软件OpenFOAM。

2.2 k和ε与风速的关系

图1是风速为0.8 m/s，1.2 m/s时，x=3.45 m截面上水气交界面附近水侧k，ε

相对值随时间变化的曲线。如果考察的截面太近，风速对挥发传质的作用时间太短，

分析无意义。如果考察的截面太远，挥发传质太少，研究意义不大。

图1 x=3.45 m截面水中 k/kv air=0.4 m/s，ε/εv air=0.4 m/s随时间的变化

Fig.1 k/kv air=0.4m/s and ε/εv air=0.4m/s as functions of time at cross-

section x=3.45 m

图1中v air=0.4 m/s表示风速为0.4 m/s的工况。图中k/kv air=0.4 m/s和

ε/εv air=0.4 m/s数值基本大于1，说明风速为0.8 m/s，1.2 m/s时，水侧k，ε

大于风速0.4 m/s时水侧k，ε。这是因为风速增加，水气交界面附近时均速度梯

度增加，进而导致湍动能平均值增加，同时湍动能波动幅度提高，气流诱导的切应

力及表面变形随着风速增加而促进湍能耗散率增加。图1中(a)，(b)对应的曲线变

化趋势一致，大多数时刻，ε/εv air=0.4 m/s大于k/kv air=0.4 m/s，说明湍能耗

散率随风速增加而增加的程度高于湍动能随风速增加而增加的程度。

2.3 挥发性污染物浓度分布

图2是不同风速下，污染物泄漏8 s后，纵截面y=0.225m上污染物质量浓度的

空间分布。由图2可见，污染物质量浓度分布区域在纵向上得到了延伸，并且浓

度中心由水中经过水气交界面向空气中转移，进而使空气中的污染物越来越多。水

流速度决定污染团前锋的分布状况，由于3种情况的水流速度相同，故他们的浓

度前锋相差无几。3种风速下污染团尾部区域相差甚远。图2(a)情况下，污染团几

乎没有浓度尾巴;图2(b)的污染团后部拖着长长的浓度尾巴，质量浓度值较小;图

2(c)的污染团纵向延伸程度最大，浓度尾巴长且数值高。说明风速的增加对污染团

尾部的挥发传质过程影响巨大。由此说明，风速引起的k，ε的增加不仅有利于水

气交界面的传质而且有助于污染物在空气中的扩散。这种水气中污染物浓度相互耦

合的特性使得污染团尾部的浓度分布占据的空间随风速增加而增大。传统非耦合模

型认为空气中污染物浓度为零，水中污染物挥发不受空气中污染物浓度影响。事实

上，空气中污染物浓度抑制了水中污染物的挥发，使得整个挥发过程得到延迟。

图3是x=3.45 m截面水气交界面附近水侧和气侧污染物质量浓度随时间变化的

曲线。

图2 纵截面y=0.225 m污染物质量浓度空间分布Fig.2 Pollutant concentration

distribution at longitudinal section y=0.225 m

图3 x=3.45 m截面处不同风速下水侧、气侧污染物质量浓度随时间的变化Fig.3

Pollutant concentration distribution at cross-section x=3.45 m in water and

air at different wind velocities

图3(a)中，0～4 s期间3条曲线基本没变化，说明泄漏初期，风速对水中污染物

的挥发传质作用很小。但是从第4秒开始，曲线开始发生分离，3种风速对应的污

染物质量浓度开始增长，v air=0.8 m/s和v air=1.2 m/s对应的质量浓度增长较

快。第10秒时，3种风速下污染物质量浓度均达到峰值，v air=1.2 m/s的峰值

明显高于其他2种。在质量浓度达到峰值前，风速越高，水中污染物质量浓度越

高。质量浓度达到峰值后，同一时刻，v air=0.4 m/s与v air=0.8 m/s对应质量

浓度几乎相等。可见v air=0.8 m/s时质量浓度下降速率大于v air=0.4 m/s时质

量浓度的下降速率。v air=1.2 m/s对应的质量浓度稍高些，但其下降速率最大。

说明达到峰值浓度后，风速越大，ε越大，水中污染物质量浓度下降越快。第6秒

时，图3(b)中3条曲线开始分离，气侧污染物质量浓度达到峰值的时间要早于水

侧污染物，说明风速对气侧污染物扩散的影响要先于对水侧污染物扩散的影响。风

速越大，气侧污染物质量浓度越高，质量浓度达到峰值以后的衰减速率也越大，说

明风速引起的k，ε的增加有助于水中污染物向空气中挥发传质及空气中污染物的

迁移扩散。

3 结 语

将挥发性污染物在水气交界面上挥发传质的耦合特性与可实现k-ε模型相结合，揭

示湍流特性对挥发传质的作用机理。

风速增加，水气交界面附近时均速度梯度增加，进而导致湍动能平均值增加，同时

湍动能波动幅度提高，气流诱导的切应力及表面变形随着风速增加而促进湍能耗散

率增加。湍能耗散率随风速增加而增加的程度高于湍动能随风速增加而增加的程度。

风速引起的湍动能和湍能耗散率的提高增强了污染团尾部的挥发传质，风速越大，

污染团尾部的浓度分布占据的空间越大。风速对气侧污染物扩散的影响要先于对水

侧污染物扩散的影响。

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