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《武汉大学》 2013年
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逆向射流及多孔射流稀释机理研究

李志伟  
【摘要】:逆向射流和多孔射流可以有效的提高射流近区的稀释度,然而由于其流场较复杂,目前研究较少。本论文着重研究了逆流中自由射流和受壁面影响的逆向射流以及横流中的多孔射流。首先运用粒子图像测速仪(PIV, particle image velocimetry)对逆流中自由射流和受壁面影响的逆向射流的流速场进行详细的测量,并对其试验结果进行分析。对于逆流中自由射流,轴线上的流速自出口处沿程逐渐减小直到为零,这个流速为零的点称为滞点。滞点距射流出口的距离为贯入深度lp。由于逆向射流随时间和空间有较大的摆动性,因此贯入深度lp在不动的变化,然而其时均值随着流速比的增大而增大,二者成线性关系,其比例系数为2.7;射流与周围流体沿程逐渐掺混,其动量逐渐增大,范围逐渐拓宽,附加流速(当地流速值加上环境来流流速值)半宽沿轴向逐渐增大,且在其达到最大值之前与轴向距离成线性关系,其增长率大于静水中流速半宽的增长;射流达到滞点后开始随环境逆流反向,并逐渐达到环境逆流的流速,射流与反向的流体之间有条流速为零的流线,该零流速流线在径向的半宽自射流出口后逐渐增大,约在0.7倍贯入深度处达到最大值(约为0.14lp)后又逐渐减小,最后汇聚在滞点。轴线上轴向流速沿程逐渐衰减,其衰减速度随着流速比的减小(环境逆流强度的增加)而增大,并且均快于静水中的自由射流。轴向时均流速沿径向的分布随着轴向距离的增加,其最大值逐渐减小,但其范围逐渐拓宽,附加流速满足高斯分布,且在主体段具有自相似性。轴线上轴向湍动强度自出口处迅速增大到极大值后逐渐减小,在接近滞点时出现第二个极值。轴线上径向脉动流速同样是沿程先增大后减小,然而不会在滞点前出现第二个峰值。轴向及径向湍动强度在0.7倍贯入深度内与轴向距离(x/lp)成指数增长关系,在贯入深度内,径向与轴向湍动强度的比值为0.5。轴向及径向湍动强度沿径向均无自相似性。偏斜因子在轴线上有负值出现,随着径向距离的增加而不断增大,在零流速半宽处达到最大值,然后又逐渐减小;而平坦因子在附加流速半宽以内均接近3,而后会逐渐增大,约在零流速半宽处达到最大值;在零流速面处,偏斜因子和平坦因子都有最大值,说明在此处有较大的间歇性,同时,间歇因子也表明在此处有较大的间歇性。 对于受壁面影响的逆向射流,贯入深度与流速比同样成正比,但二者之间的比例系数却随着偏离壁面距离的减小而增大,附加流速半宽和零流速半宽与逆流中自由射流的特性相同。轴线上轴向时均流速的衰减要缓于逆流中自由射流的变化,且随着射流管与壁面之间距离的减小,其轴向时均流速的衰减逐渐变得缓慢。然而,当射流管偏离壁面的距离大于等于15D (D为射流管直径)时,壁面对其已基本上没有影响。轴向时均流速沿径向的分布同样是最大值逐渐减小,而范围逐渐拓宽,但其部分附加流速偏离高斯分布,不具有明显的自相似性。轴线上轴向湍动强度及径向湍动强度均是自出口处迅速增大至最大值后又逐渐减小,二者沿径向的分布没有自相似性。在贯入深度内,射流管偏离壁面的距离小于10D时,径向与轴向湍动强度的比值小于0.5,而当射流管偏离壁面的距离大于10D时,径向与轴向湍动强度的比值等于0.5。间歇因子和平坦因子的变化特征在远离壁面的区域与逆流中自由射流相似,而在壁面附近平坦因子同样有有较大值的出现,这是由于壁面流动中的猝发现象所致,间歇因子在壁面处也说明此处的脉动较大。 其次,本文运用大涡模拟的方法计算了不同流速比条件下的逆向射流。大涡模拟的结果与相应的实验结果吻合的较好,包括时均流速、湍动强度和时均浓度沿轴线及径向的分布。在射流出口处涡环被卷起,并且在滞点处也存在着大涡结构。由于这些结构的存在,流场变得更加具有混沌特性和三维性。也正是由于滞点处的涡结构导致了脉动流速较大且概率密度函数偏离正态分布,进而增强混合特性和稀释度。三维流线显示逆向射流不仅在各个方向有较大的摆动,同时还围绕着轴线及涡核旋转。速度和标量的脉动值的二阶和三阶相关量表明在滞点前有较强的掺混性。 最后,本文运用Realizable k-ε模型、RNG模型和SST k-ω模型对横流中的单孔和多孔射流(n=2、3、4)进行数值计算,并对比相应的试验测量结果,该结果采用PIV(Particle Image Velocimetry)及LIF(Laser Induced Fluorescence)所测量,对比结果表明Realizablek-ε模型能够较好的预测横流中多孔射流的流速场和浓度场。针对Realizable k-ε模型的计算结果,分析了横流中多孔射流在汇合前后的流速及浓度变化特征。由于前面射流对后面射流的遮挡作用,流速比相同时,第一个射流的弯曲度大于后面射流的弯曲度,而最后一个射流的贯入深度随着孔口数量的增加而增大,前面射流对后面射流的遮挡作用随着孔口间距的增大而减弱;射流与横流的相互作用促使反向涡对(CVP)的形成与发展,反向涡对的存在,使得浓度横断面呈现出肾形分布(汇合区除外),并且浓度的最大值出现在涡对中心位置处,涡心位置处的浓度与中心平面的轨迹线上的浓度比值在1.03~1.4之间。由于前面射流对后面射流的遮挡作用,横流中多孔射流的流动及稀释特性在汇合后区域与单孔射流不完全相同,本文结合了孔口数目,引入一个折减系数,给出了多孔射流的轨迹线、半宽、稀释度变化的统一公式。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O358

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