PIV在横流中的湍射流实验研究中的应用

利用粒子图象测速技术(PIV),对横流中具有复杂结构流动的湍射流进行了详细观测.实验给出了射流沿程发展情况和由断面最大流速连线形成的轨迹线方程,研究中还发现射流尾迹区中的大尺度结构与圆柱绕流有很大区别.     

采用RNG紊流模型计算静止环境中圆形负浮力射流

基于RNG方法的κ-ε湍流模型,运用混合有限分析算法对静止环境中圆形负浮力射流进行数值模拟。从射流的最大入侵高度、流速矢量图、温度等值线、湍动能等值线、横断面上的流速和温度分布以及轴线上温度变化等方面与有效的试验资料进行了较为全面的对比验证。两者的良好吻合表明,基于RNG方法的紊流模型和混合有限分析法的结合能较好地模拟变密度流动。     

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.     

同向圆射流混合特性实验研究

利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)自动测速系统和平面激光诱导荧光(Plane Laser Induced Florescence,PLIF)系统对同向圆射流的速度场和浓度场进行了系统的研究,并与前人的工作进行了比较和讨论。时均特性测量结果表明,射流主体段下游各断面的速度和浓度横向分布是自相似的,且近似可用高斯分布来表示;随着射流向下游传播,射流中心流速逐渐衰减,在强射流区和弱射流区遵循不同的规律;紊动特性测量结果表明,下游各断面的紊动强度横向分布是自相似的。     

横流环境湍射流涡动力学特性数值模拟

采用三维湍流模型及其混合有限分析解法进行横流中湍射流这一复杂三维流动的研究。在利用实验数据对模型及其计算方法验证的基础上,对多种喷口形式和流速比工况下的流速场和涡量场进行了数值计算,模拟得到了其旋涡结构发展演化特性。在射流初始阶段,横流在射流背流面形成绕流分离旋涡,其结构与射流喷口形式和流速比有关。射流主轴沿流向布置的窄缝射流产生的旋涡最为特殊和复杂,在喷口侧面存在4个分离点,从而形成4个旋涡。在射流远区,流动主要由反向旋转涡对所控制,并诱导出二次涡对。分析得出了射流喷口形式及流速比对反向旋转涡对涡核位置和旋转强度的影响。     

横流中多孔射流流动特性实验研究

横流中多孔射流的流动特性是揭示其输移扩散机理的基础。利用粒子图像测速技术PIV测量了横向流动条件下单孔、两孔和四孔射流的速度场,对射流主体范围内、射流的迎流面和各个射流之间的流场进行了研究。实验研究表明,多个射流中的第1个射流迎流面卷吸强度明显大于单个射流情况;两个射流之间的区域可分为两个部分,上游部分水体被卷吸进入上一个射流,下游部分水体被卷吸进入下一个射流;后面射流迎流面的横向流速明显低于第1个射流迎流面的横向流速,揭示了导致后面射流弯曲的横向有效流速沿程发展变化过程;揭示了横向有效流速的沿程变化规律。     

浅水环境中垂向圆形纯射流的试验研究

对静止均匀浅水水域中的铅垂圆形单孔射流进行了试验研究,试验是在实验室的自制恒定水流循环系统中进行的。得到了水面的隆起高度与射流出口单位能量和相对水深的函数关系;验证了隆起高度分布具有自相似性,并给出其统一表达式;借助于三维测速仪,得到了射流流速的横断面分布、射流中线流速的衰减规律和流场的流函数等值线。     

复式河道滩槽交互区水沙运动机理

滩槽复式河道是冲积河流中最为常见的一种形态,也是河流动力学研究最为重要的内容之一。以复式河道概化试验数据和水沙运动的区域性特征为依据,在提出滩槽复式断面主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区以及边壁区4个分区的基础上,将水流流态最为复杂的滩槽交互区进一步划分为对数流速区（内区）和非对数流速区（外区）,通过引入描写动植物生长过程的S型曲线,提出了内外区分界线的确定方法。以滩槽交互区横向分布公式为基础,通过线性假定和积分变换,给出了滩槽交互区内断面平均流速和含沙量的计算公式,并对不同分区内的流速和含沙量的差异性进行了比较分析。     

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。     

射流冲刷底泥起动输移规律及机理

水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段，如何有效提高射流造浆效率对河(航)道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段，研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果，分析射流流速分布及衰减规律，探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明：射流造浆过程中存在最优冲沙距离，使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快；射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性，不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同；射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关，确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。     

表面驻波作用下紊动射流运动特性的试验研究

对表面驻波作用下紊动射流运动进行了试验研究。应用多普勒激光测速仪(LDV)进行流速场量测,应用电容式波高仪测量表面波动特性。结果表明,在表面驻波作用下,紊动射流动量主导远区流速的横向变化仍然可以用高斯分布表达,横剖面上流速的等值线图由原来对称于轴心的圆形变形为椭圆形;表面波动增强了紊动射流的扩散能力。     

用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

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。     

波浪环境下多孔射流水动力特性试验

为了研究波浪对多孔射流运动和稀释过程的影响,采用粒子图像测速（PIV）及激光诱导荧光（LIF）量测系统对波浪环境下多孔射流的速度场和浓度场进行了测量。结果表明:在波浪环境下多孔射流可分为3个区域,即初始区、过渡区和混合区。在初始区,各孔射流保持各自的射流特征,相互影响较小;在过渡区,各孔射流发生分叉,并在孔与孔之间相互叠加,形成若干个汇流点,平均速度和平均浓度的峰值从射流轴线位置向汇流点处偏移;在混合区,多孔射流相互融合,其平均速度和平均浓度呈现单一的“坦峰”分布,形式上表现为单孔射流的水动力特征。通过对比分析发现,波高和周期的增大以及射流初始速度的减小可使汇流点的位置向下偏移,多孔射流将更快地进入过渡区和混合区。     

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。     

浅水型河道中扩散器垂向排放的三维数值模拟

采用作者给出的三维紊流模型,结合混合有限分析法及交错网格对浅水型河道中扩散器垂向排放的流动进行了数值计算。重点对该类流动的两个流动特征进行了分析:一是水面的隆起高度,二是在横流情况下的流动转变条件。进而给出了这类排放水面的最小稀释度。这些特征的探讨对废水排入江河的水力设计有重要的参考意义。