最新市政工程专论2课件PPT.ppt 77页

'市政工程专论2 一、我国河流水污染现状2008年中国环境状况公报，我国地表水污染依然严重，珠江、长江总体水质良好，松花江轻度污染，黄河、淮河、辽河中度污染，海河重度污染。我国江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的污染，总体上呈加重趋势。海河、辽河、淮河、巢湖、滇池、太湖污染严重，七大水系中，不适合作饮用水源的河段已接近40%；工业较发达城镇河段污染突出，城市河段中78%的河段不适合作饮用水源；城市地下水50%受到污染，水污染加剧了我国水资源短缺的矛盾，对工农业生产和人民生活造成危害。 滇池污染主要是有机污染和严重的富营养化，进入90年代，总磷、总氮、有机物透明度及表征有机污染的COD、BOD等指标浓度均呈明显上升趋势。近30年来，滇池水质下降了2个等级，水质为超V类，有机物、氮、磷等污染物含量很高，水体发黑发臭，浮游植物大量繁殖，湖面水葫芦疯长，属异常富营养化，并出现局部沼泽化，外海严重富营养化，出现全湖水质达V类的严重状况。淮河流域评价河长11975km，水质为Ⅰ类的河长占总评价河长的0.5%，Ⅱ类占10.0%，Ⅲ类占16.2%，Ⅳ类占17.2%，Ⅴ类占9.6%，劣Ⅴ类占46.5%，超标河长达73.3%。主要超标项目有高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）等。被污染的淮河滇池绿藻污染 水环境修复目标在保证水环境结构健康的前提下，满足人类可持续发展对水环境功能的要求，其目标可由下图表示。 水体的地域性。根据地理位置、气候特点、湖泊类型、功能要求、经济基础等因素，制定适当的水环境修复计划、指标体和技术途径。生态学原则。根据生态系统自身的演替规律分步骤分阶段进行修复，并根据生态系统和生物多样性原则构建健康的水环境生态系统。最小风险和最大效益原则。国内外实践表明，水环境修复是一项技术复杂、耗资巨大的工程，对水环境的变化规律及机理的认识还有待提高，往往不能准确预计修复工程带来的全面影响，因此需要对工程进行仔细论证，以降低风险，同时获得环境效益、经济效益和社会效益的统一。修复原则: 水环境修复技术分类水环境修复技术一般可分为物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。目前在研究应用上一般以生物修复技术为主，物理修复技术、化学修复技术为辅。水体修复技术物理修复化学修复生物修复 引水稀释。通过工程调水对污染水体进行稀释。使水体在短时间内达到相应的水质标准．该方法能激活水流，增加流速，使水体中DO增加，水生微生物、植物的数量和种类也相应增加，从而达到净化水质的目的。底泥疏浚。指对整条或局部沉积严重的河段、湖泊进行疏浚、清淤，恢复河流和湖泊的正常功能。物理方法 通过化学手段处理被污染水体达到去除水体中污染物的一种方法．如治理湖泊酸化可投加生石灰，抑制藻类大量繁殖可投加杀藻剂。如除磷可投加铁盐等。化学净化法由于投加的是化学药剂，因此不仅治理费用较高，而且还易造成二次污染．目前该方法主要用于酸化湖泊的治理。高效、廉价、安全的药剂的研制（如絮凝剂的研制和与生物技术相结合)是化学修复技术将来的发展方向。化学方法 从生物的选择和培养应用上来分，主要包括直接投加微生物技术；培养微生物技术；高等生物修复技术等。按其工程实施的方式来分，主要包括原位修复技术；异位修复技术；原位和异位联合修复技术。优点：污染物在原地被降解；修复时间较段；就地处理操作简单，对周围环境的干扰少；较少的修复资金，一般只为传统的物理化学方法的30%到50%；人类直接暴露在这些污染物下的机会减少；不产生二次污染，是未来水体修复的重点发展趋势。生物方法 水体修复技术工程应用广州河道生物修复成功案例应用技术：底泥生物氧化水体生物修复河涌生态恢复广州市白云区朝阳涌黑臭河道在每天进水流量1800－2300m3，水力停留时间为2.17－2.78d的高负荷工业废水和生活污水冲量情况下，通过生物治理，消除了上游预处理河段水体黑臭现象，使中下游自然潮汐状况下水体洁净好氧。表明在一定污水流量情况下对城市黑臭河涌进行生物治理和养护提供了切实可行的方法。 三、水生态修复技术应用现状水生态修复技术是生态工程技术的一个分支，其基本含义是根据水生生态学及恢复生态学基本原理。对受损的水生态系统的结构进行修复，促进良性的生态演替．达到恢复受损生态系统生态完整性的一种技术措施。根据水生态系统所受胁迫的主要类型进行分类：大体可划分为两类。水生态修复技术生物生态方法治理和修复受污染水体的技术与生态友好的水利工程技术 生物修复技术河流生物修复的对象是水质，目标是改善河流水生生物生存、生活和繁衍、发展的水质条件。技术核心是微生物及微生物使用和利用等，是针对水体污染的修复，是生态修复的一个部分或一项主要内容。河流生态修复的对象是水生生物生存和发展的整个环境，包括水量、水质、水位、流速、水深、水温、水面宽度，涨水、落水时间，以及产卵场、越冬场、育肥场、回游通道的修复或恢复等等；目标是为水生生物或特有的生物种群提供良好的生存和发展环境。对于污染严重，并有产卵场、育幼场、越冬场或回游通道损伤及破坏的河流，一般应首先采取生物修复技术恢复河流水质，然后采取生态修复措施恢复河流生物栖息地和回游通道等。 植物修复技术是一种利用自然生长植物或者遗传工程培育植物修复污染土壤特别是金属污染土壤的环境技术总称。它通过植物系统及其根际微生物来吸收、移去、挥发或稳定土壤环境污染物。类型：植物固定根系降解植物促进植物降解植物挥发挥发转移生态修复的主要技术方法植物修复技术生物-生态修复技术生境修复与传统的修复技术相比，植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法，它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等，有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀虫剂、除草剂等。 生物-生态修复技术可分三个方面：一是以应用微生物为主体的生物修复技术，美国、日本及国内一些生物工程公司的产品已进入应用试验阶段，在局部区域，特别是城市内河治理中不乏有成功的例子；二是应用高等植物为主体的植物-生态修复技术，适用于大面积、低浓度的污染位点，由于植物修复是一个自然的过程，易为公众接受；三是基于“食物链”原理的生物操纵技术，应用罗非鱼、鲢鱼及贝类等滤食性动物的放养及水体生物群落结构的优化，对控制富营养化水体蓝藻水华发挥了明显的作用。生物—生态修复技术被认为是21世纪我国生态环境保护领域最有价值和最具生命力的生物处理技术。其中的ESB水体修复技术（生态演替式水体修复技术）是一项目前世界上正在兴起的突破性的一种水体修复技术。 ESB水体修复技术是利用培育的植物、动物或培养接种的微生物的生命活动，对水体污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，还可以绿化环境及景观改善结合起来，在治理区建设休闲和娱乐设施，创造人与自然融合的优美环境。ESB水体修复技术思路是，消除争氧物质，稳定水体的高溶氧状态，快速培植优势好氧微生物，打造生态基础，并通过水生动、植物定向培养、建立起人工生态，通过人工生态向自然生态演替，恢复水体生物多样性，并充分利用自然系统的循环再生、自我修复等特点，实现水生态系统的良性循环 微生物修复技术生态清淤技术生态复氧技术生态护提技术人工湿地技术水生动物恢复和重建技术ESB水体修复技术包括浮岛技术水生植物净化景观应用水生植物操控技术新生态链建立恢复 菌→藻类→浮游生物→鱼类的食物链。利用食物链关系进行有效的回收和利用资源，取得水质净化。 生境修复技术涉及多个领域浅滩—深塘结构的再造有助于植被的良好发育和构建多样性的生物栖息地，还可营造天然的河流景观。裁弯河流的恢复则可利用弯曲河流消耗河流能量强化河流的自净功能，同时恢复河流的天然景观，是实现流域中河流回归自然的重要改造措施。鱼道恢复则是近年来河流系统生态修复中最受关注的问题之一。 生态水利工程技术1．河道修复技术：河床再造、洪水脉冲和河道空间特征再造。2．河道内栖息地修复技术：鱼道、浅滩-深塘结构、基质恢复、河岸覆盖物和设置乱石堆或丁坝等模拟水生生物所偏好的活动场所3．河岸修复技术：采用植物、石块或其他透水材料加固河床4．流域内栖息地修复技术：林间水库、巢形建筑物、食物斑块、湿地的修复等5．流域内土地利用修复技术：岸边植被的恢复、舍饲圈养、水土流失的治理 流场控制修复技术根据生命体的生态水力学特征，即生命体对流速场的、压力场、温度场、浓度场改变的敏感性、选择性和适应性，可人为营造出一种对生命体生存不利，又不致失控的流场，利用生命体的求生本能，诱导它们离开某一水域，去另一水域，加以保护（或集中消灭）。如水利工程中的鱼道技术，以及血吸虫病防治措施中的无螺取水技术等，都是生命体扩散的流场控制理论的成功应用。 目前我国水环境物修复存在的问题重水体生物修复而忽视底泥生物修复重外源微生物投放而忽视土著微生物激活重单一措施而忽视综合处理重污染源控制而忽视水环境生态恢复 第五章数值模拟理论与应用一、基本概念二、发展历程三、控制方程四、离散方法五、常用软件六、应用举例 一、基本概念把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场、压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过计算机数值计算来求解描述流体运动的（偏）微分方程组，并对包含流体流动和热传导等相关物理现象做系统的分析。 数值模拟步骤1.建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件。2.寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这是数值模拟的核心。3.编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。这是数值模拟花费时间最多的部分。4.显示计算结果。一般通过图表等方式显示，这便于以后的检查和分析。 数值计算流程图 图1、水轮机的数值模拟水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动蜗壳转轮和导叶尾水管数值模拟的应用领域1、水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 2.飞机和航天飞机等飞行器的设计 3.汽车流线外型对性能的影响 4.风荷载对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 5.河流中污染物的扩散 数值模拟的应用领域电子元器件的冷却换热器性能分析及换热器片形状的选取食品中细菌的运移汽车尾气对街道环境的污染人体器官内血液流动 数值模拟的优点适应性强，应用面广，对于几何形状和边界条件复杂的非线性流动控制方程，在求不出解析解的情况下可以通过数值模拟方法得到满足工程需要的数值解。不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。可利用计算机进行各种数值试验，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验。 二、发展历程计算流体力学是从20世纪60年代中后期逐步发展起来的,大致经历了四个发展阶段:无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均的N-S方程以及完全的N-S方程。20世纪30年代,由于飞机工业的需要,要求用流体力学理论来了解和指导飞机设计,当时,由于飞行速度很低,可以忽略粘性和旋涡,因此流动的模型为Laplace方程50年代,一些学者开始将基于双曲型方程数学理论基础的时间相关方法用于求解宇航飞行器的气体定常绕流流场问题.70年代,在计算流体力学中取得较大成功的是飞行器跨音速绕流数值计算方法的研究。80年代以后,计算机硬件技术有了突飞猛进的发展,从而推动计算流体力学不断向前发展。 目前研究热点：1.研究计算方法，包括并行算法和各种新型算法；2.研究涡运动和湍流，包括可压和不可压湍流的直接数值模拟、大涡模拟和湍流机理；研究网格生成技术及计算机优化设计；3.研究计算流体力学用于解决实际流动问题，包括计算生物力学、计算声学、微型机械流动、多相流及涡轮机械流动的数值模拟等。 三、控制方程1质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程或连续方程，是质量守恒定律在流体运动中的数学表达式。质量守恒定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。 2动量守恒方程（动量方程）动量守恒方程是动量守恒定律在流体运动中的表达式。动量守恒定律可表述为：流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。 3能量守恒方程（能量方程）流体的能量通常是内能、动能和势能之和，我们可以根据这三项建立总能量守恒方程。但是这样的方程比较复杂，一般从中扣除动能，建立关于内能的守恒方程。而内能和温度有关，从而得到以温度为变量的能量守恒方程。式中，是比热容，为温度，为流体的传热系数，为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分。 上式各项依次为瞬态项（transientterm)、对流项（convectiveterm)、扩散项（diffusiveterm)和源项（sourceterm).所有控制方程都可以经过适当的数学处理，将方程中的因变量、时变项、对流项和扩散项写成标准形式，然后将方程右端的其余各项集中在一起定义为源项，从而化为通用微分方程。控制方程通用形式： 四、离散方法有限差分法它是将求解区域划分为矩形或正交曲线网格,在网格线交点(即节点)上,将控制方程中的每一个微商用差商来代替,从而将连续函数的微分方程离散为网格节点上定义的差分方程,每个方程中包含了本节点及其附近一些节点上的待求函数值,通过求解这些代数方程就可获得所需的数值解。优点：它建立在经典的数学逼近理论的基础上,容易为人们理解和接受；缺点：对于复杂流体区域的边界形状处理不方便,处理得不好将影响计算精度。 b.有限元法把适定的微分问题的解域进行离散化,将其剖分成相连结又互不重叠的具有一定规则几何形状的有限单元,单元之间以节点相联结。函数值被定义在节点上,在单元中选择基函数以节点函数值与基函数的乘积的线性组合成单元的近似解来逼近单元中的真解。利用古典变分方法由单元分析建立单元的有限元方程,然后组合成总体有限元方程,考虑边界条件后进而求解。优点：对于求解区域的单元剖分没有特别的限制,因此特别适合处理具有复杂边界流场的区域。 c.有限体积法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,每一个控制体积都有一个节点作代表,将待求的守恒型微分方程在任一控制体积及一定时间间隔内对空间与时间作积分;对待求函数及其导数对时间及空间的变化型线或插值方式作出假设;对选定的型线作出积分并整理成一组关于节点上未知量的离散方程。优点：着重从物理观点来构造离散方程，推导过程物理概念清晰,并可保证离散方程具有守恒特性。缺点：不便对离散方程进行数学特性分析。 五、常用软件5.1CFX软件CFX采用的数值方法是有限体积法,可以进行结构化正交网格、不规则分块网格和非正交曲线坐标网格划分。CFX还能处理滑移网格划分功能,利用它可以模拟运动物体的边界条件,如可以模拟动力机械转动的叶片周围流动情况。CFX可以进行包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等许多工程实际问题的模拟。CFX具有很强的网格生成和图像后处理功能,使得问题的定义、求解直到最后的结果输出都非常直观方便。 5.2FLUENT软件FLUENT采用的数值方法是有限体积法。其前处理软GAMBIT可以生成多种网格形状。FLUENT通过COKTEX图形后处理软件,可以得到二维和三维图像,如速度矢量图、等值线图(流线图、等压线图)、等值面图等。它还可以通过其积分功能求得力和流量等数值。FLUENT可以计算的物理类型有定常与非定常流动、不可压缩与可压缩流动、多相流动、燃烧过程、化学反应等。 六、应用举例以fluent软件为例，计算跌坎水流的数值模拟。 压力分布云图 速度分布云图 跌坎处速度矢量分布图 流线分布图 第二章产品设计与开发项目批准——样件之间的活动设计负责部门的输出：DFMEA可制造性和可装配性设计设计验证设计评审样件制造工程图样（包括数学数据）工程规范材料规范图样和规范的更改策划小组的输出：新设备、工装和设施要求产品和过程特殊特性样件控制计划量具/试验设备要求小组可行性承诺和管理者支持 设计职责设计职责：有权更改产品和材料规范。组织的设计职责由顾客决定。顾客在与组织签定产品开发合同/协议时，会明确组织是否有设计职责。无论是否有设计职责，都可能存在样件制造过程：在顾客的要求下。无论是否有设计职责，组织策划小组的输出都同样存在 样件样件的目的：验证设计、识别特殊特性、了解成本、认识制造过程。本章的样件不用于产品确认样件与试生产件的不同：——目的——时机——制造条件 DFMEA系统、子系统、零件DFMEA；评审、识别、调整（增加、改变、删减）产品和过程特殊特性。有效DFMEA的特征：——已考虑所有的失效模式——“高”的定义——一致的评价准则——有效的措施 可制造性和可装配性设计为优化设计功能、可制造性和易于装配之间的关系，小组应考虑：产品功能和对制造变差的敏感性；制造和/或装配过程；尺寸公差/性能要求；部件数；工艺流程；贮存/搬运技术。 设计验证设计验证的方法可包括：性能试验；可靠性、耐久性、寿命试验；计算机模拟；DOE；有限元分析 设计验证1计算机辅助设计（Computer-AidedDesign)计算机系统自动生成和编辑几何图形、尺寸，而且允许使用者确定一个物体形状和物理特性的绘图能力。计算机辅助工程（CAE）使用计算机辅助进行工程过程。这些辅助可以产生工程分析用数学数据，有时用于访真和有限元分析。 设计验证2有限元分析（FiniteElementAnalysis)一种建立复杂结构模型的技术。当数学模型是以已知载荷为条件时，便可以确定结构的位移。访真技术（SimulationTechniques)用不同也不类似的系统来模仿一个系统的某些或全部行为特征的作法。 设计验证3实体造型（SolidModeling)一种把体积物理性质加到产品设计中的几何CAD技术，它允许自动进行几何与物理性质分析。耐久性（Durability)某项产品在其可用寿命期间，不会因磨损而需要拆检或大修，而能在顾客期望的水平上继续发挥功能的概率。 设计验证4试验设计（DesignofExperiments)一种用于控制过程输入以便更好地理解对过程输出影响的试验技术。这种经过设计的试验是一个试验或一系列试验，试验中的设计矩阵系统化地调整潜在影响过程的变量。所关注的内容：——在试验的变量中，确定显著变量；——把变量等级所代表的整个范围的影响定量；——对过程中起作用的系统原因的性质获得较好的理解；——比较影响和相互作用。试验设计的代表性方法包括“传统”方法和“田口”方法。 设计评审设计评审：产品策划计划定期安排的会议。评审建立了监视项目进展和向管理者报告的机制。设计评审的主要功能是跟踪设计验证的进展。戴克公司的设计验证计划和报告（DVP&R)。设计评审包括对各种验证结果的评审。 样件制造—控制计划时机与数量：与顾客商定。制造条件：尽可能使用与正式生产相同的工装、分承包方。控制计划：对样件尺寸测量与性能试验的描述。样件制造中的数据非常重要，顾客可能会有相关要求。 工程图样（包括数学数据）即使由顾客设计，小组也要评审工程图样：是否有足够的数据以表明每个零件的尺寸清楚地标识基准面/定位面，以便控制和设计量具评价制造可行性确保与顾客的系统兼容（数学数据）标识所有的特殊特性 工程规范工程规范：对某一个或系列产品的功能/性能、耐久性、外观的接受标准。对产品特性的样本容量、频率及其接受准则，一般在工程规范中确定，也可以在控制计划中明确。小组对工程规范应进行详细的评审和了解，以确保理解一致。 材料规范材料规范：涉及到材料的物理特性、性能、环境、搬运和贮存要求。材料规范应包含在控制计划中（可以以材料规范编号的方式）。特殊特性会延伸到材料的特性。对特性的要求要传递到分供方。 新设备、工装和设施要求识别：通过DFMEA、产品保证计划、设计评审、样件制造、初始过程流程图等。开发计划：自识别出起至试生产前完工。监控：进展评审：见下一张 新设备、工装和试验设备检查表问题是否意见/措施负责人完成日期工具和设备设计是否已考虑以下方面1柔性系统，如单元生产？2快速更换工装？3产量波动？4防错？是否已制定识别以下内容的清单5新设备？6新工装？7新试验设备？对以下内容的接受标准是否已达成一致意见8新设备？9新工装？10新试验设备？ 续表11在工装和/或设备制造厂是否将进行初始能力研究？12是否已确定试验设备的准确度？13对于设备和工装是否已完成预防性维护计划？14新设备和工装的作业指导书是否完整并清晰易懂？15是否具备在设备制造厂的设备上进行初始能力研究的量具？16是否将在本厂进行初始能力研究？17是否已识别影响产品特殊特性的过程特性？18在决定接受标准时是否考虑了产品特殊特性？19是否能满足预测的生产节拍要求？20是否有足够的试验能力？ 产品和过程特殊特性特殊特性的符号：顾客规定的或等效符号识别：在初始清单的基础上，由小组：——通过DFMEA——设计信息评审——对顾客要求的进一步理解文件化 量具/试验设备要求识别：——初始过程流程图——样件制造——工程规范——材料规范开发计划：从识别出起至试生产前完工。评审：见检查表 小组可行性承诺和管理者支持可行性：按照顾客要求的节拍、按顾客可接受的成本生产和交付产品的能力。评审（检查）第二章的工作是进行小组可行性承诺的基础。即使由顾客设计，组织也应评价产品可行性。小组的一致意见和所有需要解决的问题应形成文件并提交管理者以寻求支持。 设计信息检查表问题是否措施/意见负责人完成日期A.一般情况1设计是否需要新材料？2设计是否需要特殊工装？3是否已考虑了装配变差分析？4是否已考虑实验设计？5对样件是否已有计划？6是否已完成DFMEA?7是否已完成DFMA?8是否已考虑了与服务和维修有关的问题？9是否已完成设计验证计划（规定的内容）？10如果是，是由小组完成的吗？11是否对所有规定的试验、方法、设备和接受准则有一个清楚的定义并有小组了解？12是否已选择特殊特性？13是否完成了材料清单？14特殊特性是否已正确的文件化？B.工程图样15对于影响配合、功能和耐久性的尺寸是否已明确？16为最大限度减少全尺寸检验的时间，是否明确了基准尺寸？17为设计功能量具，是否明确了控制点和基准尺寸？18使用现有的检验技术，是否有些要求不能被评价？19公差是否和被接受的制造标准相一致？ 设计信息检查表（续）C.工程性能规范20是否已识别所有的特殊特性？21是否有足够的试验以满足生产确认和最终使用条件22是否已对在最大和最小规范下生产的零件进行试验23如反应计划要求，能否对额外的样品进行试验而且还能进行正常的过程试验？24所有的实验是否都由自己进行？25如不是，是否有批准的供方进行？26规定的抽样频率和样本容量是否可行？27如要求，试验设备是否已得到顾客批准？D.材料规范28是否已明确材料特殊特性？29选用的材料是否能满足产品耐久性的要求？30是否在顾客批准的名单中选择供方？31是否要求材料供方对每一批都提供检验证明？32是否已明确材料特性要求的检验？如果是，则：33将在组织内进行检验吗？34具备试验设备吗？35为保证结果准确，需要培训吗？36将使用外部试验室吗？37所有被使用的试验室得到认可了吗？38是否已考虑以下材料要求：搬运、贮存、环境？ 本章小结设计职责？以及与本章内容的关系？小组活动？有效的检查表？开发计划随进展的调整？样件的作用？生产条件？可行性？'