横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性研究

摘要

横向流动条件下多孔水平动量射流是T型淹没式多孔扩散器中的一种典型的流动现象。本文在评述单孔射流和多孔射流研究现状及研究方法的基础上，使用激光诱导荧光(LIF)技术、粒子图像测速(PIV)技术和数值模拟相结合的方法观测和研究了横向流动条件下多孔水平动量射流的三维流动规律和合并、掺混特性。主要进行了以下的研究工作： 1、设计、组建了横向流动条件下多孔水平动量射流系统、激光诱导荧光浓度场测量系统和粒子图像测速系统，并结合每一项实验工作对实验过程中应注意的问题进行了讨论； 2、利用LIF、PIV测量系统对横向流动条件下多孔水平动量射流的浓度场和速度场进行了系统的测量，比较分析了不同工况下的实验结果，为紊流模型的验证和对横向流动条件下多孔水平动量射流三维流动规律物理背景的理解奠定了良好的基础； 3、基于计算流体动力学(CFD)商业代码—Fluent中的标准k～ε模型和易实现k～ε模型建立了数学模型，模型中整个计算区域由水槽和射流管组成，其网格剖分采用区域分解法，分别生成非均匀的结构化网格，各区域之间的信息交流采用滑动网格技术，控制方程的离散采用有限体积法，空间离散采用二次迎风插值QUICK近似方法，压力—速度耦合基于协调一致的求解压力耦合方程的半隐方法—SIMPLEC算法，并采用标准壁面函数法处理近壁区的流动； 4、结合文献[101]中的实验资料和前人的研究成果，分析了易实现k～ε模型对横向流动条件下动量射流流场的预测能力较标准k～ε模型略有改进的原因，而后利用易实现k～ε模型对横向流动条件下多孔水平动量射流进行了数值模拟，通过与LIF和PIV实验结果的对比分析，验证了易实现k～ε模型对模拟横向流动条件下多孔水平动量射流这类流动的可靠性和有效性； 5、对横向流动条件下多孔水平动量射流合并前的浓度和速度轨迹线进行了系统的研究，通过量纲分析和对实验、数值模拟结果的分析，提出了一个综合考虑射流动量、横向流速和多孔射流之间相互作用的动量长度尺度—基于平均横向有效流速的动量长度尺度lm*对射流浓度和速度轨迹线进行无量纲化，分别得到了射流浓度和速度轨迹线的统一表达式，即在对数坐标系下，在y/lm＜1(射流近区)，所有射流的无量纲浓度和速度轨迹线y/lm或y/lm*与下游距离x/lm或x/lm*呈指数为1/2的指数关系，在y/lm＞1(射流远区)，所有射流的无量纲浓度和速度轨迹线y/lm或y/lm*与下游距离x/lm或x/lm*呈指数为1/3的指数关系，而与射流与横流速度比、射流个数和射流位置无关； 6、对横向流动条件下多孔水平动量射流的三维流速场进行了系统研究，分析了流场在沿流动方向、纵向和垂直方向不同截面的不同区域内射流与环境水体的流动过程，揭示了射流与横流之间、射流与射流之间的相互作用机理，从而对横向流动条件下多孔水平动量射流的流动规律和合并、掺混特性建立了全面的理解； 7、通过数值模拟得到的射流浓度场、速度场和涡量场，对各工况下射流下游横断面(y-z平面)上的肾形反向涡对和纵断面(x-z平面)上的马蹄形涡的发生、发展过程进行了研究，分析了肾形反向涡对和马蹄形涡的形成原因、多个射流对肾形反向涡对和马蹄形涡发生、发展的影响，从而对多个射流与横流之间的掺混机理有了更深入的理解； 8、对射流各个不同截面内的动态压强场分布进行了系统的研究，分析了动态压强在不同射流区域内的变化过程，并指出了导致射流发生弯曲的原因； 9、对全文的工作和有待进一步开展的研究工作进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：符号列表、附图目录

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1问题的提出及工作的意义

1.2单孔射流的研究进展

1.3单孔射流的研究方法综述

1.4多孔射流的研究现状

1.5本文的主要工作

第二章实验装置的建立

2.1概述

2.2基本实验系统

2.3激光诱导荧光(LIF)系统

2.4粒子图像测速(PIV)系统

2.5本章小结

第三章横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性实验研究

3.1坐标定义和实验条件

3.2横向流动条件下多孔水平动量射流浓度场实验研究

3.2.1横向流动条件下多孔水平动量射流的分区

3.2.2射流浓度轨迹线

3.2.3射流浓度轨迹线上的稀释度变化

3.3横向流动条件下多孔水平动量射流速度场实验研究

3.4横向有效流速

3.5本章小结

第四章数学模型的建立和验证

4.1坐标定义和计算工况

4.2数学模型的建立

4.2.1控制方程

4.2.2壁面函数法

4.2.3流动定义和计算条件

4.3标准k～ε模型和易实现k～ε模型的计算结果对比

4.3.1时均流速的对比

4.3.2紊动强度的对比

4.4 LIF和PIV实验结果和易实现k～ε模型计算结果对比

4.4.1 LIF实验结果与易实现k～ε模型计算结果对比

4.4.2 PIV实验结果与易实现k～ε模型计算结果对比

4.5本章小结

第五章横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性数值模拟

5.1射流中心平面上的射流浓度和速度轨迹线

5.2射流不同截面内的速度分布

5.2.1射流中心平面(z=0)上纵向水流速度-x向速度u的分布

5.2.2射流中心平面(z=0)上横向速度-y向速度v的分布

5.2.3射流中心平面(z=0)内的流迹线变化

5.2.4射流中心平面上的平均流速分布

5.3射流的肾形反向涡对结构

5.4射流的马蹄形结构

5.5射流不同截面内的压强场特性

5.5.1射流中心平面上的无量纲动态压强分布

5.5.2纵向截面(x-z平面)上的无量纲动态压强分布

5.5.3横向截面(y-z平面)上的无量纲动态压强分布

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1全文总结

6.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表或录用的论文

附录B 攻读博士学位期间参加的科研项目

附录C 攻读博士学位期间所获奖励

附图