【摘要】：負浮力射流射入分層環(huán)境流體的流動現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程應(yīng)用中。處于轉(zhuǎn)捩區(qū)間的負浮力射流的非對稱過渡和非對稱特征是揭示射流中的湍流產(chǎn)生機制的關(guān)鍵所在。而環(huán)境流體的分層更使這些非對稱過渡和非對稱特征進一步復(fù)雜化。本論文對溫度分層環(huán)境流體中處于轉(zhuǎn)捩區(qū)間(即100≤Re≤400,1≤Fr≤8,0.0≤s≤0.3,這里Fr為弗羅德數(shù),Re為雷諾數(shù),s為無量綱溫度分層數(shù))的圓形負浮力射流在分層環(huán)境流體中的流動進行一系列的三維直接數(shù)值模擬(DNS)計算,并根據(jù)計算結(jié)果分別定量和定性地分析這些流動的控制參數(shù)(即Fr,Re和s)對負浮力射流由對稱到非對稱過渡、非對稱特征、最大射流高度等的影響。研究發(fā)現(xiàn):(1)定量化的切向速度能準確地描述轉(zhuǎn)捩區(qū)圓形負浮力射流非對稱過渡和非對稱行為特征;當圓形負浮力射流保持對稱特征時,流場中不同位置的切向速度為零或非常小;而若流場中出現(xiàn)任何非零或不可忽略的切向速度時,則表明負浮力射流已呈現(xiàn)出非對稱特征。(2)當Fr數(shù)或Re數(shù)較低時,負浮力射流一般能在整個時間段內(nèi)保持對稱特征;但當Fr數(shù)或Re數(shù)較大時,負浮力射流只在早期發(fā)展階段呈現(xiàn)對稱特性,而在非對稱過渡時間之后,其表現(xiàn)為始終保持非對稱,即使處于準穩(wěn)態(tài)階段也是如此,其表現(xiàn)特征為瞬時最大切向速度值圍繞一基本恒定的時均值上下波動。(3)與Fr數(shù)和Re數(shù)的影響趨勢相反,環(huán)境流體的溫度分層(s數(shù))對負浮力射流流動的穩(wěn)定和削弱甚至消除射流的非對稱特征起到積極作用。(4)根據(jù)所得數(shù)值結(jié)果,利用無量綱標度分析方法,本論文得到了一系列分層環(huán)境中負浮力射流特征參數(shù)的定量化的關(guān)鍵標度關(guān)系式,包括非對稱特征的起始時間、初始最大射流高度、時間平均最大射流高度、到達初始最大射流高度的時間等;結(jié)果顯示,Fr數(shù)和s數(shù)對這些特征參數(shù)有顯著的影響,但Re數(shù)對這些特征參數(shù)的影響相比而言較小。對于負浮力射流在分層環(huán)境中的具體應(yīng)用方面,本論文選取了太陽能應(yīng)用中一個典型的立式承壓儲熱水箱為分析對象,結(jié)合實際運行條件,對儲水箱在取水階段的三種常見流量下的取水特性進行了模擬計算分析。研究發(fā)現(xiàn):(1)無量綱溫躍層厚度變化趨勢隨著流量的不同而不一致,但平均無量綱溫躍層厚度隨著流量的增加逐漸增厚;大流量工況下,平均無量綱溫躍層厚度是中小流量工況下的近兩倍;在中小流量工況下,無量綱溫躍層厚度雖逐漸增加,但變化并不明顯,但在大流量工況時,無量綱溫躍層厚度在排水開始階段非常厚,但隨著放水時間增加,這一厚度快速變薄,到無量綱時間0.4后變化趨緩。這主要是因為在開始階段,進口流量越大,冷熱水摻混越明顯,但隨著冷水區(qū)域的擴大,較高的冷水入射動量對高溫水層的影響逐步降低所致;排水流量越大,儲熱水箱內(nèi)相同位置的冷水區(qū)域溫度越高;在2.5 L/min和10 L/min的流量工況下,在水箱無量綱0.2高度處的溫度差別達到14 K左右,表明排水流量越大,摻混越劇烈,能取出的可用熱水越少。(2)儲水箱內(nèi)的無量綱?隨著排水時間的增加逐漸減小,且減小趨勢基本一致;在同一無量綱時間,排水流量大,儲水箱中的無量綱?值也越大,在較大流量(10 L/min)時,無量綱?平均值為0.578,是較小流量下(2.5 L/min)的2.48倍。這一變化趨勢說明:隨著排水時間的增加,儲水箱內(nèi)的可用熱量逐漸減小;排水流量越大,儲水箱內(nèi)的摻混越明顯,儲水箱內(nèi)剩余的不可用熱量越多,可取出的熱量越少。在對不同進水流量對儲水箱的放水特性進行分析后,本論文根據(jù)實際使用中的常用的中等流量,對溫度分層度為5 K/m,10 K/m和20 K/m的三種工況進行模擬計算分析,得到如下主要結(jié)果:(1)隨著無量綱時間的增加,無量綱溫躍層厚度的變化趨勢為先減小再增大;不同的分層度下,平均無量綱溫躍層厚度變化不明顯,其平均值均在0.1左右,表明在不同的溫度分層度下,無量綱溫躍層厚度的變化并不能反應(yīng)出水箱內(nèi)整體的冷熱水摻混情況。(2)無量綱?值隨著溫度分層度的增加和無量綱時間的增加逐漸減小,但溫度分層度較大的20K/m工況下,變化趨勢不同于溫度分層較小的工況;當溫度分層度為5 K/m時,平均無量綱?值為0.3263,而當溫度分層度為20 K/m時,平均無量綱?值為0.2103,是溫度分層度為5 K/m時的64%,表明溫度分層度越大,無量綱?值的減小越明顯,因而可從儲水箱中取出的可用熱量越多。這一結(jié)果印證了儲水箱內(nèi)的熱水溫度分層度對取水時冷熱水的摻混有抑制作用;溫度分層度越高,這種抑制作用越明顯。這一結(jié)論與之前研究圓形負浮力射流在分層環(huán)境流體中的流動行為所得的關(guān)鍵定性結(jié)論完全一致,即環(huán)境流體的溫度分層對負浮力射流流動的穩(wěn)定起到積極作用,這種分層削弱甚至消除了射流的非對稱特征。(3)儲水箱內(nèi)的平均無量綱?隨溫度分層度的增加呈線性降低的關(guān)系。
【圖文】：

第 1 章 緒論密度較小的流體中（ρ0>ρa，這里 ρ0和 ρa分別為入射射流密度和環(huán)境流體的起始密度），浮力方向向下。本文研究的主要內(nèi)容就基于這種情況。圖 1.1（b）中，溫度較高的流體射入溫度較低的流體中；比如建筑采暖應(yīng)用中，熱風從上吹入溫度較低的房間中就是一種典型的具體應(yīng)用，即密度較小的流體射入密度較大的流體中（ρ0 ρa），浮力方向向上。在實際工程應(yīng)用中，流體的入射方向除以上所述的二種典型情況，還有從側(cè)面或是不同入射角度的射流。例如，在大部分太陽能儲水箱中，冷熱水口在水箱側(cè)面，冷水進入儲熱水箱時，，相當于水平方向入射。本文第五章討論的典型負浮力應(yīng)用就相當于此類射流。此外，根據(jù)環(huán)境流體在射流流入以前處于靜止狀態(tài)或者流動狀態(tài)，可分為靜止環(huán)境中的射流或流動環(huán)境中的射流；根據(jù)環(huán)境液體的密度分布不同，又可分為均勻環(huán)境液體和分層環(huán)境流體。本文研究的主要內(nèi)容就是分層環(huán)境中的負浮力射流。

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【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O358;O357.5

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本文編號：2623549