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椭圆射流掺混特性研究及应用

高柱  
【摘要】:最近十几年,鸭嘴形状的弹性橡胶止回阀(简称鸭嘴阀)已经被广泛地安装到各类海洋污水排放扩散器上,由于其开口面积(形状近似为椭圆)与排放流量之间存在非线性关系,使得该类扩散器的稀释度预报成为新的射流研究课题,涉及鸭嘴阀稀释效果的预报和评价,椭圆射流近似鸭嘴阀射流,椭圆射流本身的掺混稀释特性,以及椭圆射流和鸭嘴阀射流归类到圆孔浮射流预测模型中的各种问题。本文以椭圆射流为研究对象,围绕上述问题展开研究,该项研究不仅具有实际的工程应用价值,也拓展了人们对射流问题的认识,尤其是以椭圆射流为代表的非圆射流中的相干结构的认识,丰富了射流理论和内容。 本文首次研究了同向流动(coflowing)环境中具有不同射流比(Velocity Ratio-VR)和喷口高宽比(aspect ratio-AR)的椭圆喷口射流,对比了椭圆射流与传统圆射流的掺混特性。采用激光诱导荧光技术(Laser Induced Fluorescence-LIF)首先对同向流动环境中的圆射流特性做了系统可靠性的验证实验,然后对同向流动环境中的椭圆射流标量物质浓度场进行了可视化和定量化,进而系统研究了椭圆射流的中心线稀释度,射流扩展宽度,下游不同断面上的时均浓度分布和紊动统计量分布。通过实验研究和理论分析,提出了同向流动环境中椭圆射流稀释度预报方法,在此基础上首次给出了将椭圆射流预报方法归类到圆射流模型中的途径。 数值模拟方面,以FLUENT商用代码为平台,通过对比各类紊流模型的特性,结合可获得的计算资源,以“可实现”κ-ε紊流模型为基础,建立了同向流动环境中的椭圆射流数学模型,获得完整的射流速度场和射流浓度场,计算出的射流特性得到物理实验的有力支持。首次通过涡量场的定量分析,阐明了椭圆射流中所存在的典型三维流动特征“轴变换”现象的物理发生机理。 工程应用部分,采用激光多普勒流速仪(Laser Doppler Anemometer,LDV)量测了同向流动环境中不同射流比下的鸭嘴阀射流速度场,结合鸭嘴阀浓度场特性,与椭圆射流对应特性做出比较,证明了椭圆射流近似鸭嘴阀射流的合理性,首次阐明了如何将椭圆射流实验和数值研究成果运用到鸭嘴阀射流的预测中。最后是全文总结和对未来工作的展望。


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