發(fā)布時(shí)間：2020-07-07 07:17

【摘要】： 本文研究了靜止環(huán)境和流動(dòng)環(huán)境中的負(fù)浮力射流的特性。負(fù)浮力射流在環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用,如工業(yè)和生活污水排海排江,電廠冷卻水排入江河,從煙囪、冷卻塔等建筑物排出的粉塵、廢熱氣體流入大氣、船舶廢水排入港口水域。當(dāng)廢水或廢氣排放到環(huán)境流體中時(shí),廢流體的密度往往與環(huán)境流體的密度不同,這種由于密度差而產(chǎn)生的浮力不僅影響平均流本身,而且更主要的影響湍流及受湍流影響的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換。因此,對(duì)浮力作用下的射流研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義,而且對(duì)工程實(shí)踐也具有重要的實(shí)際意義,能夠?yàn)檎_分析、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)污染物的擴(kuò)散、輸移規(guī)律及其影響途徑,制定合理、有效的控制和保護(hù)措施,減少擴(kuò)散器各種繁復(fù)設(shè)計(jì)參數(shù)(如形狀、尺寸等)的率定等問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。 本文的主要工作就是在前人試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬,對(duì)多種形式的負(fù)浮力射流的水流流動(dòng)特性進(jìn)行分析和研究,探討污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律,給出射流影響區(qū)域具體劃分方法和計(jì)算公式,對(duì)設(shè)計(jì)排海工程擴(kuò)散器,評(píng)價(jià)擴(kuò)散器的稀釋效果及污染范圍提供理論基礎(chǔ)。文章首先對(duì)負(fù)浮力射流的試驗(yàn)研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析,介紹了有關(guān)的主要控制參數(shù)和研究熱點(diǎn),然后對(duì)一種目前研究較少的熱水負(fù)浮力射流進(jìn)行了試驗(yàn)研究,最后結(jié)合試驗(yàn)研究的成果,對(duì)多種形式的負(fù)浮力射流進(jìn)行了數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)。數(shù)值研究分靜止和流動(dòng)兩部分進(jìn)行,分別研究了圓形和平面、垂直和傾斜、鹽水負(fù)浮力和熱水負(fù)浮力等不同的射流形式。 負(fù)浮力射流是一種變密度流,目前的研究多停留在試驗(yàn)階段。對(duì)幾種較為顯著的特征量進(jìn)行測(cè)量分析,主要包括射流最大上升高度、分離點(diǎn)的位置、底部擴(kuò)展層厚度、各特征位置的稀釋度等等,對(duì)于流場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究則很少。理論分析認(rèn)為,對(duì)于靜止環(huán)境中的鹽水負(fù)浮力射流,射流的最大上升高度等特征量的主要影響因素主要是動(dòng)量通量、浮力通量和流量通量,通過(guò)量綱分析進(jìn)一步得到了特征量與出口密度弗勞德數(shù)的線性關(guān)系,由于試驗(yàn)工況和測(cè)量方法的差別,不同的試驗(yàn)研究得出的不同的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。對(duì)現(xiàn)有的試驗(yàn)資料進(jìn)行整理,并進(jìn)行曲線擬合,得到適用于不同出口密度弗勞德數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。靜止環(huán)境中的傾斜射流可以擴(kuò)大噴射的影響區(qū)域,增加稀釋度,因而在實(shí)際上具有更多的應(yīng)用。射流角度不同,特征量也不一樣。對(duì)多種傾角下的射流進(jìn)行了試驗(yàn)研究表明,當(dāng)傾角為60 o時(shí),圓形負(fù)浮力射流的軌跡最長(zhǎng),其稀釋度最大,對(duì)60 o傾角的試驗(yàn)研究得到了相應(yīng)的最大上升高度、分離點(diǎn)的位置和相應(yīng)的稀釋度計(jì)算式,它們均與出口密度弗勞德數(shù)有關(guān)。流動(dòng)環(huán)境中的負(fù)浮力射流特性不僅和出口密度弗勞德數(shù)有關(guān),還要受到射流比和排放角度的影響。通過(guò)量綱分析可以得到各特征量的計(jì)算公式,它是射流比和出口密度弗勞德數(shù)的函數(shù)。在流動(dòng)環(huán)境中,垂直射流的稀釋效果比傾斜射流(向下游傾斜)的稀釋效果要好。 鹽水負(fù)浮力射流的試驗(yàn)研究較多,而對(duì)于另一種負(fù)浮力射流,即由溫度變化引起的負(fù)浮力射流則研究的較少。本文對(duì)流動(dòng)環(huán)境中的平面熱水負(fù)浮力射流進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用Micro ADV測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量?jī)x器對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,得到了熱水負(fù)浮力射流的時(shí)均和紊動(dòng)特性。不同的試驗(yàn)工況采用改變環(huán)境流速和排放角度來(lái)實(shí)現(xiàn),為了對(duì)比分析浮力作用對(duì)射流的影響,我們也作了純射流的試驗(yàn)。對(duì)比表明,不同的排放角度下,負(fù)浮力射流和純射流的影響區(qū)域大小關(guān)系不同,說(shuō)明熱水負(fù)浮力射流中,溫度變化對(duì)射流的影響不僅表現(xiàn)在負(fù)浮力作用一個(gè)方面,還表現(xiàn)在紊動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng),而兩者的強(qiáng)弱對(duì)比決定了溫度負(fù)浮力射流的流動(dòng)規(guī)律。對(duì)射流的紊動(dòng)分析表明,橫流來(lái)流及出流斷面的紊動(dòng)較弱,但出流斷面較之來(lái)流斷面的紊動(dòng)有所增強(qiáng);渦心及分離點(diǎn)斷面的紊動(dòng)較強(qiáng)。通過(guò)本文試驗(yàn)可以看到,Micro ADV能夠精確的采集流場(chǎng)的速度樣本,并且它的采集頻率很高,從而為分析流場(chǎng)的紊動(dòng)特性提供了很大的方便,但是在整理試驗(yàn)成果中同時(shí)發(fā)現(xiàn),所采集的流場(chǎng)紊動(dòng)數(shù)據(jù)沿探頭發(fā)射方向偏小,這一問(wèn)題在以后的流場(chǎng)測(cè)量中應(yīng)引起注意。 在數(shù)值模擬方面,建立考慮浮力作用的k -ε雙方程湍流模型,采用混合有限分析方法對(duì)二維和三維負(fù)浮力射流進(jìn)行數(shù)值模擬。為了避免相同結(jié)點(diǎn)上求解所有的未知量時(shí)出現(xiàn)的不合理的鋸齒狀壓力分布,而應(yīng)用交錯(cuò)網(wǎng)格法,邊壁條件的處理采用壁函數(shù)方法。 對(duì)靜止環(huán)境的圓形和平面負(fù)浮力射流進(jìn)行了數(shù)值模擬和預(yù)報(bào),采用試驗(yàn)資料對(duì)數(shù)學(xué)模型和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了最大入侵高度、斷面和軸線上的流速、密度(或溫度)和湍動(dòng)能變化以及典型斷面上的湍動(dòng)能和動(dòng)量平衡。對(duì)于傾斜負(fù)浮力射流,根據(jù)流動(dòng)的特性可以將射流影響區(qū)域劃分成為三個(gè)區(qū),即:射流區(qū)、回流區(qū)和水平擴(kuò)展區(qū),射流區(qū)和水平擴(kuò)展區(qū)及射流區(qū)內(nèi)部分區(qū)的界限通過(guò)計(jì)算公式給出,計(jì)算還給出了收縮斷面的位置及該斷面物理量的分布。通過(guò)對(duì)不同排放角度下平面負(fù)浮力射流的計(jì)算,分析了排放角度對(duì)負(fù)浮力射流的影響,給出了考慮排放角度影響的傾斜射流最大上升高度計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)負(fù)浮力射流的遠(yuǎn)區(qū)計(jì)算表明,高密度流體以異重流的形式沿底部向下游推進(jìn),分析了異重流的頭部形狀和遠(yuǎn)區(qū)斷面流速分布規(guī)律。 流動(dòng)環(huán)境中的負(fù)浮力射流相對(duì)于靜止環(huán)境中的負(fù)浮力射流增加了環(huán)境來(lái)流的作用,因此在分析流動(dòng)規(guī)律的時(shí)候必須考慮流速比的影響。對(duì)流動(dòng)環(huán)境中的負(fù)浮力射流,分別模擬了平面垂直負(fù)浮力射流、平面傾斜負(fù)浮力射流、平面熱水負(fù)浮力射流和圓形垂直負(fù)浮力射流。對(duì)于平面負(fù)浮力射流,分別分析了最大入侵高度、斷面上的流速、密度(或溫度)和湍動(dòng)能變化以及典型斷面上的湍動(dòng)能和動(dòng)量平衡。類(lèi)似靜止環(huán)境中傾斜負(fù)浮力射流的方法,同樣可以將射流影響區(qū)域分區(qū),給出了分區(qū)的界限和相應(yīng)的計(jì)算公式。 結(jié)合本文的試驗(yàn),對(duì)平面熱水負(fù)浮力射流同樣進(jìn)行了數(shù)值模擬和預(yù)報(bào),計(jì)算得到了不同排放角度和射流比情況下的渦心、分離點(diǎn)位置和最大入侵高度。對(duì)比分析表明,對(duì)于流動(dòng)環(huán)境中的熱水負(fù)浮力射流,傾斜射流比垂直射流影響區(qū)域要小的多,射流角度越小,各特征量的值越小。射流比越大,各特征量的值也越大。對(duì)湍動(dòng)能及其耗散率分布的分析可以得到,在噴口下游有兩個(gè)相對(duì)較高的區(qū)域,一個(gè)在噴口附近,一個(gè)在回流區(qū)內(nèi),回流區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能最大值存在滯后的現(xiàn)象。湍動(dòng)能耗散率在主流中心線上較大,向兩側(cè)逐漸減小。在靠近噴口的下游水面附近,有一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域。在水面上,噴口下游的湍動(dòng)能及其耗散率均衰減很快,然后逐漸增大,在分離點(diǎn)位置附近達(dá)到一個(gè)最大值,然后逐漸減小。在噴口下游,溫度的最大值并不在分離點(diǎn)處,而是在距離噴口相對(duì)較近的一個(gè)位置。 流動(dòng)環(huán)境的圓形負(fù)浮力射流屬于三維問(wèn)題,采用三維紊流模型對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了這類(lèi)射流的流動(dòng)狀態(tài)和密度擴(kuò)散規(guī)律,給出了不同射流比下的流線圖和斷面密度等值線圖。發(fā)現(xiàn)了噴口附近存在一個(gè)相對(duì)的低密度區(qū)以及射流撞擊底部后向側(cè)壁分流、密度分布呈現(xiàn)中間低兩側(cè)高的現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2004
【分類(lèi)號(hào)】：X502;TV131.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李煒,槐文信;平面射流和浮力射流的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯;1989年04期

2 李煒,槐文信;湍浮力射流形成后區(qū)特性的預(yù)報(bào)[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯;1991年01期

3 梁書(shū)秀,沈永明,孫昭晨,倪浩清;潮汐水域中污水側(cè)向排放的數(shù)值模擬[J];海洋學(xué)報(bào)(中文版);2000年02期

4 張曉元,槐文信,李煒;多孔平面射流混合區(qū)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算[J];應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào);1994年04期

5 槐文信;同流熱污水排放的三維數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法[J];武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào);1997年04期

本文編號(hào)：2744822