静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(Ⅰ)数学模型及计算方法的验证

建立静止环境中有阻力圆盘浮力射流的RNG湍流模型,考虑浮力对射流的影响,采用混合有限分析数值格式来离散求解数学模型,结合有效的试验资料进行模型和计算方法的检验,预报给出了阻力盘对圆形浮力射流轴线浓度的影响范围;提出轴线浓度校正系数的概念,从而清晰直观地证实了阻力盘具有提高射流近区稀释度的作用;确立了H/D为影响轴线浓度的重要参数,且H/D=10为阻力盘是否提高近区稀释度的判别标准;数值模拟发现,当H/D<1时,正常绕流发生的弗劳德数F₀的范围会很快缩小,容易出现非正常绕流;并且盘离射流孔口较近时,射流容易被反射,离孔口较远时,绕流容易出现分叉.并就如何控制射流流态和提高稀释度提出了两点建议.     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(II)流场特性分析

在数值计算成果的基础上,对阻力圆盘浮力射流的流场进行了分析和总结,基于轴线流速的变化规律将盘后流场分为3个区域:回流区、过渡区和自相似区。得到了回流区的长度随弗劳德数F0、孔口直径D/d以及盘离孔口的距离H/d的变化规律,并得到了工况为H/D=1,D/d=2,6和H/D=3,D/d=2在不同弗劳德数F0条件下的横截面上的流速分布和达到自相似区的最小长度;结果表明弗劳德数F0的大小是决定绕流流态的主要因素;同时分析了由正常绕流发展到非正常绕流的压力场变化,发现由于弗劳德数F0的增大而导致流场中出现的第三个负压中心的大小和位置与绕流是否能正常发生存在密切的关系。     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(Ⅱ)流场特性分析

在数值计算成果的基础上,对阻力圆盘浮力射流的流场进行了分析和总结,基于轴线流速的变化规律将盘后流场分为3个区域:回流区、过渡区和自相似区.得到了回流区的长度随弗劳德数F₀、孔口直径D/d以及盘离孔口的距离H/d的变化规律,并得到了工况为H/D=1,D/d=2,6和H/D=3,D/d=2在不同弗劳德数F₀条件下的横截面上的流速分布和达到自相似区的最小长度;结果表明弗劳德数F₀的大小是决定绕流流态的主要因素;同时分析了由正常绕流发展到非正常绕流的压力场变化,发现由于弗劳德数F₀的增大而导致流场中出现的第三个负压中心的大小和位置与绕流是否能正常发生存在密切的关系.     

河流中单向性同流扩散器近区的稀释

用三维湍浮力流模式结合混合有限分析法对河流中单向性同流扩散器的近区稀释特性进行精确的数值分析,所得结果与Parr的试验资料吻合良好,进而给出了稀释度在近区的经验公式,并且分析了浮力射流的分叉现象和吸附现象以及出现这两种现象的原因,发现水面对稀释有延迟作用,对分叉有促进作用.     

多孔T型扩散器排放流态特性研究

从航运、施工、管理及水生生物回游等角度出发,提出采用多孔T型扩散器排放污水.根据多孔射流发展规律,分析T型扩散器排放近区流态特性,运用笔者所研制的数学模型进行模拟计算,预报T型扩散器排放近区轴线流速、浓度及稀释度的沿程变化规律,得出了相对动量和扩散器长度是影响污染物横向扩散的主要因素.     

波流环境中垂向圆管射流三维运动和稀释过程模拟

采用大涡数值模拟方法建立了波流环境中垂向圆管射流三维物质输运数学模型,在此基础上分析了波流共同作用下射流运动和稀释过程,并探讨了波浪对射流三维时均浓度特征的影响。数模结果与实测数据的对比表明,该模型能够正确复演波流环境中射流速度和浓度沿水深分布的规律。引入了射流的三维浓度特征指标,即断面最小稀释度及其垂向位置和断面可视范围面积,发现随着波高或波周期的增大,波流环境中射流的断面可视范围面积逐渐增加,这说明波浪对射流的稀释起到一定的促进作用。     

横流环境下振荡射流初始稀释规律

横流环境下振荡射流的运动和稀释特性研究对于提高排放工程稀释能力非常重要。利用三维大涡数学模型研究了横流环境下振荡射流的初始稀释规律, 探讨了各参数对射流稀释效果的影响; 通过引入射流特征速度与特征长度并进行量纲分析, 得到了横流环境下振荡射流的断面最小稀释度和可视范围面积经验公式, 并将其与波流环境下非振荡射流的稀释规律进行对比。研究表明: 横流环境下振荡射流下游断面浓度极大值出现在反向对称漩涡(CVP)结构位置或"污染物云团"位置; 振幅-射流速度比越大, 最小稀释度越大, 断面可视范围面积越大; 随着斯特劳哈尔数的减小, 断面可视范围面积增加, 最小稀释度变化不明显; 横流环境下振荡射流和波流环境下非振荡射流的初始稀释经验公式结构一致, 射流振荡性产生的初始稀释促进作用与波浪效果类似。     

静止环境中平面负浮力排放近区特性的数值研究

运用k-ε湍流模型,建立静止环境中平面负浮力倾斜射流的二维数学模型,采用D.M.Shahrabani和J.D.Ditmars的试验资料进行检验,并且对这类流动进行了数值预报。在此基础上,提出了将射流影响区域划分成为三个区的概念,即:射流区、回流区和水平扩展区,也给出了射流区和水平扩展区及射流区内部分区的界限。给出了收缩断面的位置及该断面物理量的分布,为远区特性计算给出了定解条件。     

规则波作用下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

高密度盐水排放是海水淡化领域一个复杂和常见的物理现象。为研究波浪作用下盐水射流的水动力特性,建立了规则波作用下垂直圆管负浮力射流三维水动力数学模型。利用试验数据对数值计算结果进行验证,两者吻合较好。基于数值计算结果,分析规则波作用下垂直圆管负浮力射流流体扩散特征,研究规则波对负浮力射流三维时均速度以及瞬时浓度的影响。结果发现:入射波波高和周期对射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减指数影响不大,而对衰减系数影响较大;随着波高或波周期的增加,射流特征速度半宽增加,射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减系数减小,有助于射流流体在环境水体中的扩散。另外,建立了考虑浮力效应的波-射流动量比影响的射流中轴上量纲一平均速度衰减系数、平均特征半宽公式,可以为相关实际工程提供一定的参考。     

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。     

排放角度对波浪环境中圆管射流运动和稀释特性的影响

采用粒子图像测速和平面激光诱导荧光技术对波浪环境中倾斜射流的运动和稀释特性进行了实验研究,对比分析了排放角度对射流瞬时运动形态、时均速度场和时均浓度场的影响。实验结果表明排放角度的变化对波浪环境中射流的运动形态、速度分布和混合范围等均有显著影响。当射流顺波浪方向运动时,射流主体段速度剖面呈双峰分布,达到初始浓度20%、30%、40%和50%的混合范围随排放角度增加而先增大后减小;当射流逆波浪方向运动时,射流速度剖面双峰分布不明显,相应的混合范围随排放角度增加而减小。在波浪牵引和射流卷吸的共同作用下,逆向射流的稀释效果总体上优于与垂线方向相同夹角的顺向射流。     

流动环境中铅垂圆形负浮力排放的三维数值模拟

建立流动环境中圆形负浮力射流的三维k-ε湍流模型,考虑浮力对射流的影响,结合试验资料进行数值计算,给出了不同射流比下的流线图和断面密度等值线图。发现了大射流比下喷口附近存在一个相对的低密度区以及射流撞击底部后向侧壁分流、密度分布呈现中间低两侧高的现象。     

珠江口磨刀门枯季水文特征及河口动力过程

根据磨刀门2003年12月9~15日的大、中潮同步水文观测资料,分析了磨刀门枯季的潮汐、潮流、余流、悬移质含沙量、盐度等水文特征,并对枯季河口动力过程,如咸淡水混合、河口射流等进行了初步研究。在枯季由于径流较弱,潮流成为主要动力。表层由于受径流和风的影响余流基本上沿河道走向向下游,中层以下有稳定的向上的余流存在。枯季磨刀门含沙量较小(<1 kg/m3),盐度在平面上和垂向上均有一定变化。磨刀门枯季咸淡水混合类型为缓混合型,各站盐度分层参数均在0.01~1.0。从实测流速的分布情况来看,河口下层有反向的水流,存在明显的因密度差而形成的密度环流。根据枯季实测资料计算所得的密度弗劳德数,磨刀门枯季以浮力射流为主。     

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量,统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明:沿射流方向具有3个明显不同的衰减区,依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内,3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关;在垂直挡板影响下,速度半宽值扩展率明显加快,发展更为充分;在水深H~1.75H范围内,射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043,同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感,其扩展率由0.205增至0.270;最大速度衰减对水深的改变并不敏感,且在Ⅱ区加速衰减,衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较,Ⅱ区与之相似,将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。     

梯形喉口无喉道量水槽水力性能分析

以解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题为目标,探究梯形喉口无喉道量水槽在末级梯形渠道中量水的适用性。基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF方法对梯形喉口无喉道量水槽和矩形喉口无喉道量水槽水力性能进行了数值模拟,并通过物理原型试验验证了模拟结果的合理性。研究结果表明:梯形喉口无喉道量水槽测流过程中弗劳德数沿程呈单峰分布,在喉口下游附近出现临界流且喉口上游弗劳德数均小于0.5,满足灌区量水要求;测流过程中,最大流速位置随着量水槽边界变化而变化;对喉口收缩比相同的矩形喉口和梯形喉口无喉道量水槽测流精度、水头损失比较得出,梯形喉口有效改善了小流量时测流误差和大流量时的水头损失。