羽流特性的理论与实践研究

环境水力学研究中的重要问题之一是射流理论研究,其应用主要是污水排江、排海工程中扩散器设计及初始混合区计算。对此问题的研究继续引起国内许多学者的重视,其最新成果主要有两个方面:一是采用先进的量测手段(如PIV,ADV),揭示了横流环境中的射流和掺气射流的内部结构,提出了一些有价值的成果,为数值模拟研究提供了对比基础;二是采用精细紊流模型对各种射流流场进行数值模拟和研究。随着研究的不断深入,射流理论已经由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的射流发展,如横流、分层流、浅水域射流、潮汐中的多孔射流、表面射流和旋动射流等。

流动环境中负浮射流与实际工程密切相关,已成为近几年环境水力学领域中的一个十分重要的课题。槐文信等对流动均匀环境中负浮射流的研究成果进行了总结,提出了负浮力射流内部结构和负浮力射流特征量的系统研究,建立考虑浮力作用的非定常的负浮射流紊流模型。他们还提出了圆形倾斜排放浮力射流的最大上升高度的新公式,并对圆形射流和平面射流不同倾角下的射流规律进行了初步探讨,给出了射流的分区及分区的界限,同时亦给出了涡心断面物理量的分布及典型断面上湍动能平衡图。Huai等用k-ε 紊流模型和非均匀交错网格的混合有限分析法计算了各向同性介质中的浮力射流问题,得到了不同出口佛氏数条件下污染物的平均速度场和密度场、中心线上的速度、密度以及最大浮力射流高度等参数,与试验得到的数据非常吻合。

韩会铃、李炜对横流均匀环境中三维线源型正负浮力射流特性进行了研究,得出了:①正浮力射流喷口佛氏数愈小,浮力轨迹线上升愈高,轨迹线上温度衰减愈快,流速比愈大,温度衰减愈慢。当流速比约大于1.75时,正浮射流轨迹线具有重贴壁现象;②负浮力的存在对浓度(或温度)分布影响较大,而对流速及紊动能影响较小;③横流均匀环境中有限长线源型负浮力射流亦存在湍涡现象,负浮力愈大,湍涡出现位置距射流出口愈远;④负浮力射流轨迹线也有重贴壁现象。喷口弗氏数愈小,负浮力射流扩散范围愈小,愈易贴壁等结果。

郝瑞霞等针对冷却水工程中的实际问题,应用浮力修正的k-ε 双方程湍流模型及控制体积法,对有横向来流条件下的表面湍动浮力射流进行了三维数值模拟,计算结果能够反映出由温差产生的密度分层流动现象,所得的温度场和实测的资料基本相符。

张晓元、李炜等采用标准的k-ε 模型及混合有限分析法对均匀横流环境中的铅直圆形射流进行了数值模拟(射流比0.5～8),分析得出了各种射流比(射流出流速度与横流速度之比)情况下的射流轨迹线、对称面上的内外边界线的统一数学表达式,得出了水平面上示踪质影响的最大宽度、射流横断面浓度最大值偏离射流中心值与射流比的关系,以及射流是否发生附壁及产生分叉现象的界限值。

Kang等提出一种三维的带有模量化特征方程的粒子跟踪模型,用于预测海洋排污口排出的污染物羽流在近域混合特征和远域输运中的变化。这种模型克服了以前将近域和远域分开计算的缺点,通过对韩国Masan海湾排污口的计算和两个季节的近域观测,发现模拟的结果与实测资料比较一致。Chu等用大涡模拟(LEM)的方法计算了分层水体中的层流和紊流羽流,在不同雷诺数条件下,计算清晰地显示了羽流的密度图形,效果很好。(www.xing528.com)

在射流试验研究方面,由于PIV、ADV 及激光技术等先进量测手段的引进,也取得了一批有价值的成果。武汉大学、清华大学及河海大学等单位都采用这批新技术,例如采用PIV 和ADV 对静止和有横流环境中的射流和掺气射流作了大量的试验研究,揭示了射流的内部结构,也可为数值模拟研究提供对比数据;应用平面激光诱导荧光技术测量了在恒定横流中圆孔射流的分维数。研究了分维数和动量比的关系、分维数的变化和射流断面高程及稀释度的关系。比较了多孔射流和单孔射流的分维特性。作者根据射流受力平衡关系建立了非恒定横流中垂向射流轴线的积分方程,在前人对恒定横流中射流研究成果的基础上求得了该方程的解析解。由平面激光诱导荧光(PLIF)和数字图像技术测得的多孔射流浓度分布实验资料,获得了射流宽度,横向扩展角度与射流和横流速度比及射流相对高度的关系,为潮流底部多孔排放污染物影响区的计算提出了一套较完整的方法;利用ADV 测速技术对静止环境条件下淹没紊动射流的横断面流速分布及轴线流速的衰减等时均特性进行了实验研究,验证了射流主体区内各横断面流速分布的自相似性,测出了紊动射流扩展宽度和扩散角,得到了轴线流速的变化规律,获得了射流横断面上紊动强度分布。

Lee结合香港政府提出的污水排放战略计划(Strategic Sewage Disposal Scheme),提出了一种虚拟现实计算机模拟系统,从三维的角度清晰地显示了浮力射流与周围水流之间的交融和演进过程,对污染物排放的轨迹、密度和稀释提供了符合实际的预测。为解决香港附近海域的“水华”问题,他们开展了大量的连续的实地观测,在上述浮力理论的基础上提出了一种三维水动力和水质模型,通过对叶绿素a的预测与实测资料的比较证明了这种模型的正确性。

Shiau在试验水槽中观测了空气羽流在密度分层水体中的上升规律,用CCD 相机拍摄了气泡的发展过程。他们发现,对气泡的干扰主要发生在密度分层区域,而在各向同性区域中气泡的上升并不明显受到气体注入速度的影响。

陈国谦、李行伟等采用k-ε 方程对二维热泡的演化过程进行数值研究。得到了当无量纲时间大于10时,流动与混合特性均符合自相似关系;热泡流场可分为两区,混合区中示踪剂浓度场呈双峰肾形、湍流脉动强烈、旋流含一对涡眼,而外区示踪剂浓度为零、流动有势且符合偶极子模型;热泡流的附加等效质量系数近乎1,自相似阶段热泡的宽高比约为1.45,所得热泡扩展率和混合率亦与实验数据相符;槐文信等对气泡羽流是否存在自相似性和气泡在水体中的滑移速度量级进行了分析,对于静止环境中的平面和圆形气泡羽流,如果流动的韦伯数小于102 时,流动才具有自相似性,对于具有自相似性的羽流,方可采用积分分析方法来预报该类流动的特性;静止环境中的气泡羽流,气泡的滑移速度的量级为28cm/s。