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动水环境中射流特性的实验和数值模拟研究

周丰  
【摘要】: 水污染的治理关键是污染源的控制,造成水环境污染的主要原因之一就是城市污水的无序排放。由于污水江河湖海处置的工程造价和运行费用相对较低,污水江河湖海处置已经成为解决城市水污染优先考虑的工程措施。科学的设计污水排放方式和科学的选择排放水域都有赖于对排放到环境水体中污水的动力特性以及污染物扩散、输移特性等环境水力学问题的深刻认识。污水通常以射流的形式排放到江河湖海中,系统开展动水环境中射流特性的基础性研究不仅可以加深对湍流的认识,而且能够为射流在生产实践中的应用提供更加完善的理论基础,有着重要的科学价值和实际意义。 本文从物理实验和数值模拟两方面对动水环境中射流特性,包括射流的流态、射流扩展率以及污染物浓度场分布特性等进行了较为系统的研究。在实验方面,利用波浪水槽结合粒子图像测速(PIV)系统对波浪环境中圆形垂向射流流场的时均特性和紊动特性进行了研究;在数值模拟方面,以Reynolds时均方程为基本控制方程,利用应力代数紊流模型和VOF方法建立了可模拟带自由表面的紊动射流二维数学模型和三维数学模型,对动水环境中窄缝射流和圆形射流进行了数值模拟,分析了横流环境中射流喷角对射流特性的影响,开展了波浪环境中窄缝射流和圆形射流基本特性的系统研究。 本文基于不同波要素波浪环境中射流流场实验结果,分析、总结了波浪周期对射流核长度、横剖面上射流垂向平均速度分布以及射流扩展率的影响规律。根据对波浪环境中射流紊动特性实验结果的分析,依据射流的紊动特性,将波浪环境中紊动射流的发展分为三个阶段,分析、总结了波浪环境中射流的紊动量在横剖面上的分布规律,及其在紊动射流三个不同发展阶段随波高的变化规律,并指出波浪环境下射流的紊动扩散量值大小约是对流的1/8~1/3,紊动扩散的作用不可忽略。 本文基于对横流环境中窄缝射流的数值模拟结果,分析、总结了横流环境中不同射流比下各种喷角对涡心点、分离点位置以及稀释度的影响规律。提出“面积湍动能”的概念,并通过分析喷角对“面积湍动能”的影响规律,得出喷角为90度时最有利于射流水体与环境水体间掺混的结论。 本文基于对波浪环境中窄缝射流的数值模拟结果,详细描述了波浪环境中的窄缝射流二维即时流场以及浓度场的特点,指出波浪环境中窄缝射流污染物的传播扩散过程分为三个阶段。通过对波浪环境中窄缝射流周期平均流场的分析,指出喷口轴线上周期平均的垂向速度衰减分为四个阶段,并总结了波高和波周期对波浪环境下窄缝射流的射流核长度、横剖面上射流垂向平均速度分布以及射流扩展率的影响规律。指出波浪影响射流特性的直接因素包括两个:第一,波浪水质点的最大水平速度;第二,波浪的摆动。波浪水质点的水平运动半径是影响垂向射流特性的根本因素,波浪水质点水平运动半径越大,波浪对射流特性的影响越显著。 本文基于波浪环境中圆形射流的数值模拟结果,详细描述了波浪环境中的圆形射流三维即时流场以及浓度场的特点,着重对比了过喷口轴线顺浪向和垂直浪向的两个垂面上的即时流场、浓度场的差异,以及波浪环境中圆形射流过喷口轴线顺浪向垂面上浓度场与窄缝射流浓度场的差异。另外,通过对不同波要素、不同水平面上即时涡流场的分析,指出波浪环境中圆形射流水平面上出现的各旋涡结构中,肾形漩涡对出现频率最高。通过对波浪环境中圆形射流周期平均流场的分析,总结了波要素对三维圆形射流扩展率的影响规律,并着重对比了过喷口轴线顺浪向和垂直浪向的两个垂面上射流扩展率的差异,以及波浪环境中三维圆形射流与二维窄缝射流扩展率受波要素影响规律的差异。


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