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《武汉大学》 2005年
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静止浅水环境中浮力射流稳定性与混合特性研究

曾玉红  
【摘要】:本文主要对静止环境中几种不同形式的热水浮力射流的表层流动的稳定性和混合特性进行了研究。废热水是很多工业企业(尤其是热电厂)的副产品,通常被直接排放到大的天然水体,也即所谓的“一次性”冷凝系统。近年来国家对废热的排放标准更加严格,设计和建设部门都在采取措施以增加排放口近区的稀释度。要最大限度的利用环境水体的冷却能力,就要对这类排放条件下的温度分布,及相关的水动力学性质进行研究,这些信息同样也是研究热水排放对水体环境乃至水生物影响的基础。因此,对各种形式的热浮力射流,探讨各自的稳定性判据及其混合特性,给出稳定与非稳定条件下热废水的排放规律,不仅具有重要的学术意义,而且对工程实践也具有重要的指导意义,可以为排海、排江工程扩散器的优化设计,扩散器的稀释效果评价,以及环境评价等提供理论依据。 热水浮力射流是受初始动量和温差浮力共同作用的一种流动,它不同于污水浮力射流,污水浮力射流中初始动量充当的角色要小,并且其混合程度更易受浮力作用的影响,与环境水体的动力作用很大程度上不存在。因此对浮力热水的分析技术不同于污水排放(至少在静止范围内),对其混合特性的研究也不能采用分析污水排放时所采用的简单浮力射流理论,而是要根据热水浮力射流流场各部分的特征,将其分成不同的区域分别进行研究,一般将其分为四个区域:Ⅰ、浮力射流区;Ⅱ、表面碰撞区;Ⅲ、内水跃区;Ⅳ、反向分层流动区;前三个区域属于流动近区,而第四个区域属于远区。在强浮力条件下,射流流体以浮力射流的形式上升到流体表面,并且作成层运动沿水体表面扩散,即所谓的稳定近区;而在浮力较小的条件下,射流流体被流体边界所反射,在有限深环境水体中会与环境水体发生剧烈掺混,破坏成层运动,也即非稳定近区。 本文的主要工作就是在对已有的稳定性研究成果进行分析和总结的基础上,采用数值计算的手段对平面浮力射流、轴对称浮力射流、水平圆形浮力射流进行模拟和预报,研究在环境水体与射流水体的何种组合下,近区会趋于稳定或非稳定,并确定各自的混合特性。 本文首先建立了考虑浮力作用的κ-ε双方程湍流模型,采用混合有限分析方法对其进行离散,并编制了相应计算程序。对计算中的一些技术问题作了介绍,如为了
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