（水力学及河流动力学专业论文）同流中多孔热水浮射流近区的数值模拟.pdf

摘要 论文题目：同流中多孔热水浮射流近区的数值模拟 学科专业：水力学及河流动力学 研究生：景志杰签名： 指导教师：王颖副教授签名： 周孝德教授签名： 摘要 浮射流是自然界的一种常见流动，其广泛地存在于各行各业，许多工程技术领域都需 要用到浮射流理论和浮射流技术，因此对浮射流的研究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。对于单孔射流的研究和静止环境中射流的研究，前人已 经做了大量的工作，但对于动水环境中的多孔浮射流的研究还不多，因此本文将采用数值 模拟的方法对同流环境中多孔热水浮射流进行研究，采用f l u e n t 软件中的r e y o n l d s 应力 模型并结合s i m p l e 算法进行计算，探讨不同工况下各特征物理量的混合特性及运动变化 规律。 本文首先回顾了射流的基本理论，分析了射流的研究现状，对国内外专家和学者对单 孔射流和多孔射流的研究做了简单概括。然后扼要介绍了紊流数学模型，阐述了紊流模型 的基本假定和基本方程，概括了紊流数学模型的分类，并对各种紊流数学模型进行了比较， 分析了其各自的优缺点。随之介绍了紊流数值模拟方法，对数值离散方法和离散格式做了 概述，介绍了一维、二维和三维控制方程的离散过程和s i m p l e 算法，并对本文所要用到 的三种软件进行了简单介绍。 在数值模拟的计算中，首先对同流中不同射流孔数时的热水浮射流进行了数值模拟， 给出了不同孔数时不同位置处的压强场、速度场和温度场，得出了多孔射流与单孔射流的 一主要不同之处在于多孔射流之间存在吸附效应，孔数越多，在距孔口同一位置处各物理量 的数值越大。接下来，以三孔射流为例分析了不同孔间距时各物理量的混合特性，得出孔 间距越大，混合点距孔口的距离越远，吸附效应越不明显，在距孔口同一位置处各物理量 的数值也越小。然后计算了不同射流温度时的流场和温度场，得出射流温度越大，浮力的 作用越大，在距孔口相同距离处的温度越高。最后，数值模拟了不同流速比时同流中的多 孔热水浮射流，得出流速比越大，浮力的作用越不明显，等值流速线所包围的面积就越大， 高温区影响的范围也越大，并给出了射流的轨迹线。 最后，对本文做的工作和成果进行了总结，指出了论文的不足，对下一步的工作进行 了展望。 西安理工大学硕士学位论文 关键词：同流；浮射流；数值模拟；多孔 本研究得到国家自然科学基金项目：多孔热水浮射流的数值模拟及实验研究( 编号： 5 0 6 7 9 0 7 2 ) 的资助 h a b s t r a c t t i t l e ：n u m e r l c a ls l m u l a t k ) no fm u l t i p i et h e r m a l “盯e rb u o y a n tj e t si nt h en e a rf l e l di nc o f l o w m a j o r ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a m i c s n a m e ：z h i j i ej i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y i n gw a n g p r o f x i a o d ez h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：兰堕鎏型刍 s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： b u o y a n tie ta sak i n do fc o n u t l o nf l o wi nn a t u r ee x i s t sw i d e l yi nv a r i o u si n d u s t r i e s t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fb u o y a n tj e ti sa p p l i e di nl o t so fe n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y f i e l d s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fb u o y a n ti e ti so fi m p o r t a n c es i g n i f i c a n c en o to n l yf o r a c a d e m i c ，b u ta l s of o rp r a c t i c e aa m o u n to fw o r kh a sb e e n d o n eo nt h es t u d yo fs i n g l e i e ta n dj e ti ns t a t i cw a t e r , b u tt h es t u d yo nm u l t i p l eb u o y a n tj e t si nf l o w i n gw a t e ri s s e l d o ms e e n s o ，i nt h i sa r t i c l ew ew i l ls t u d yt h em u l t i p l eb u o y a n t e t si nc o f l o wu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n d i s c u s s i n gt h em i x i n gc h a r a c t e r i s t i e sa n dt h e i rc h a n g e sl a wo f a 1 1k i n d so fc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e sb yc a l c u l a t i n gu s er e y o n l d sm o d e li nf l u e n t s o f t w a r ea n ds i m p l ea l g o r i t h m i nt h i sa r t i c l ew er e v i e wt h eb a s i ct h e o r i e so f e tf r s t l y w ea l s og i v et h es t a t u s a n a l y s i so fi e ta n ds u m m a r i z es i m p l yt h es t u d yw o r k so fm a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r s b o ma th o m ea n da b r o a d s e c o n d l yw ei n t r o d u c e st h et u r b u l e n c em a t h e m a t i c a lm o d e l t h eb a s i c h y p o t h e s e sa n de q u a t i o n s o ft u r b u l e n c em a t h e m a t i c a lm o d e la r e e x p o u n d e d a l lt u r b u l e n c em a t h e m a t i c a lm o d e l sw eh a v ec l a s s i f i e da r ec o m p a r e d a n d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e g i v e n t h e n t h et u r b u l e n c en u m e r i c a i s i m u l a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d t h en u m e r i c a ld i s c r e t em e t h o d sa n dd i s c r e t es c h e m e a r es u m m a r i z e d w ea l s oi n t r o d u c et h es i m p l ea l g o r i t h ma n dd i s c r e t ep r o c e s s e so f o n e d i m e n s i o n a l t w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a lc o n t r o le q u a t i o n s t h et h r e e s o f t w a r ew eu s e di nt h i sp a p e ra r ei n t r o d u c e di nb r i e w r ef i r s t l yc a l c u l a td i f f e r e n ti e t si nc o f l o wb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep r e s s u r e f i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da td i f f e r e n tj e t sa r eg i v e n w eo b t a i nt h e m a i nd i f f e r e n c eb e t w e e ns i n g l ei e ta n dm u l t i p l ei e t si st h a tt h e r ei sc a n d i d ae f f e c t b e t w e e nt w oa d j a c e n tj e t s a tt h es a m ep o s i t i o nf r o mi e te x i ts e c t i o n ，n l ej e t sm o r e ，t h e b i g g e r t h ev a l u eo fa hc h a r a c t e r i s t i c q u a n t i t i e s a s t h e f o l l o w i n g ，t h em i x i n g c h a r a c t e r i s t i e so f 甜ic h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e sa td i f f e r e n ts p a c i n ga l ea n a l y z e dt a k i n g t h r e ej e t sa sa ne x a m p l e w bg e tt h es i m p l et h a tt h es p a c i n gi sb i g g e r , t h em i x i n gp o i n t i i i 乙3 k 西安理工大学硕士学位论文 i s f a r t h e r , t h ec a n d i d ae f f e c ti s l e s so b v i o u s ，a n dt h ev a l u eo fa l lc h a r a c t e r i s t i c q u a n t i t i e sa tt h es a m ep o s i t i o nf r o mi e te x i ts e c t i o ni ss m a l l e r t h e nw eg e tt h ef l o w f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da td i f f e r e n tj e tt e m p e r a t u r e w eo b t a i nt h a tt h eh i g h e rt h e j e tt e m p e r a t u r e ，t h eb i g g e rt h eb u o y a n te f f f e c t ，a n dt h et e m p e r a t u r e a tt h es a m ep o s i t i o n f r o mj e te x i ts e c t i o n a t1 a s t ，w es i m u l a tt h et h e r m a lw a t e rb u o y a n tj e t si nc o f l o wa t d i f f e r e n tv e l o c i t yr a t i o w ek n o wt h a tt h eb i g g e rt h ev e l o c i t yr a t i o ，t h el e s so b v i o u st h e b u o y a n te f f e c t a n dt h el a e g e rt h ea r e at h a tc l o s e db yi s o v e l ，a n dt h el a e g e rt h ea r e a e f f e c tb yh i g ht e m p e r a t u r e t h ei e t st r o c h o i d sa r ea l s og i v e n f i n a l l y , a l lt h ew o r ka n d 仔u i t si nt h ep a p e ra r es u m m a r i z e da n dt h ed e f e c t sa n d f u r t h e rw o r ka r ee l a b o r a t e d k e yw o r d s ：c o f l o w ；b u o y a n tj e t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m u l t i p l ej e t s t h er e s e a r c hw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo fm u l t i p l et h e r m a l w a t h e rb u o y a n tj e t s ( n o 5 0 6 7 9 0 7 2 ) i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 、71 二j 论文作者签名：! 兰翌，z 汐辑弓月z 弓日 学位论文使用授权声明 本人兰：垫垒在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：兰! 查垄、导师签名：j 盏 zc ，l ：7 9 年 弓月2 艿日 论文作者签名：互! 圣釜、导师签名：皇缬 zc ，l ：7 9 年 弓月2 占日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言一 水，乃生命之源，万物之本，没有水，地球上的任何生命将不复存在。而如 今，我们地球上的生存环境受到了前所未有的危害，科学家们曾预测，将来的某 一天，地球上的万物将会消亡。为了生存，人类把目光投向外星系，而科学家们 首先要探测的是这个星球上是否有水。水问题的解决是万物生存发展的前提，没 有水，几乎任何事物都无从发展。可见，研究水问题和水问题的解决意义非常重 大。 水问题是当今世界各国所普遍关注的重大问题。改善人类的生存环境，提高 人们的生产及生活饮用水条件，是保障人类生存权和发展权的必由之路。世界各 国政府在人力、财力和物力等各个方面都以很大的投入来保护和改善人民的生存 环境和水环境，提高国民的生活水平和质量。近年来，我国的政治、经济和社会 事业各个方面飞速向前发展，社会主义各项事业取得了前所未有的惊人成就。随 着社会主义市场经济体制的建立和完善，我国工业化和城市化进程大大加快，城 市建设日新月异，一大批现代化的城市和新型城镇迅速崛起。然而，在取得这些 令人瞩目成绩的同时，人类生存的环境也遭到不同程度地破坏。社会经济的不断 发展和社会人口的迅速增加，使工业废水和生活污水量与日剧增，大量未经生物 处理或未经任何处理的工业废水和生活污水排放到江河湖海中后，给这些水体带 来十分严重的污染，给人的生活带来很大不便，严重地威胁人民的身体健康和生 命安全。恶化的环境还使该地区的发展速度放慢，严重制约着当地政治、经济和 社会事业的全面发展，更有甚者己成为当地各项事业可持续发展的重要障碍【l j 。 目前，我国的一些沿海城市开始较多地采用将废水经过一级或二级处理后集 中排入海洋或湖泊中，这样的大型排污工程将废水通过很长的管道，由多孔扩散 器以浮射流的形式进行排放，采用多孔射流有利于射流掺混面积的增加，使周围 环境流体较多的卷吸到射流之中，从而达到污染物浓度的尽快稀释。同量废水以 多孔形式排放较之单孔排放的稀释率要提高许多倍。对大型火电厂和越来越多的 核电厂的冷却水排放系统，由于冷却水的交换速率大，或者受纳水体有限，水质 承受稀释有限，快速稀释就显得尤为重要。所以模拟多孔浮射流的掺混过程，确 定射流各物理量的特性，可为排污工程优化设计提供理论依据，同时为火电厂及 核电厂的热废水排放到河流、湖泊或海洋中，提供污染范围预测【2 】。 1 2 水体的热污染 由于人类的活动，使局部环境或全球环境发生增温，并可能对人类和生态系 统产生直接或间接、即时或潜在危害的现象可称为热污染。近一个世纪以来，全 1 西安理工大学硕士学位论文 球气候逐渐变暖，这种现象与人类大面积地改变地表状态，与人类能源消费大量 增加有关，因此，人类活动是产生热污染的主要原因【3 】。 热污染主要来自能源消费，这里不仅包括发电、冶金、化工等工业生产消耗 能源排放出的热量，而且包括人口增加将导致居民生活和交通工具等消耗增多而 排放出的废热。众多热污染中水体的热污染显得更为显著，大量未经过处理或处 理不达标的“废热水排入江河后，其热量对水体的影响，与重金属、有机物等 有害物质对水体造成的污染相比，毫不逊色。废热水造成的环境污染有六大危害， 这六大危害是： ( 1 ) 可使水体温度增高，降低水的密度和粘度，导致河水携带泥沙的能力 减弱，时间长了，河道就会淤积堵塞。另外，水温升高会使风藻、风信子等水生 植物迅速繁殖，使水流与航道受阻。 ( 2 ) 水温升高后，直接影响鱼类的栖息和繁殖。 ( 3 ) 可使饮用水水质发生物理、化学和生物过程的变化，从而损害人体的 健康。据研究，适于饮用的生水，其温度在1 0 左右，一旦高于1 5 ，就不适 宜饮用了。 ( 4 ) 水温升高会导致物体腐蚀的速度加快，常年在这种高温水域作业的渔 船、渔网，受损坏程度比正常水温水域更大。 ( 5 ) 水温增高后，热水河面的蒸发量比普通水面的蒸发量大1 3 1 5 倍， 对贫水地区大为不利。 ( 6 ) 水温增高，会使水中所含氰化物和重金属的毒性变大。 通过冷却的方法使温排水降温是减少“废热水 危害的主要方法之一。通过 此法，可以对热污染起到一定的防治作用。但人类对热污染的研究还属初级阶段， 许多问题还在探索过程中，特别是在包括中国在内的许多发展中国家，由于技术 落后，工程实际中的许多热废水仍然只是经过初步的处理后就直接排放到自然水 体中。 1 3 射流的基本理论 1 3 1 射流理论简介 射流是指一股流体从各种排放口或喷口流入周围环境流体，并同其发生强烈 混合的流动状态【4 j 。根据射流形成的动力可将射流分为三种：喷口处初始动量对 流动起支配作用的射流为纯射流或动量射流( j e t ) ，由于喷口处流体与环境流体的 密度差产生的浮力作用形成的射流称为羽流卷流( p l u m e ) ，而浮射流( b u o y a n tj e t ) 则是既受动量作用又受浮力作用，同时具有射流和羽流特性的一种射流。射流的 基本特征就是由于射流与周围环境流体之间速度差形成的卷吸和掺混，使射流断 2 1 绪论 面不断扩大，射流流速沿程减小，浓度或温度降低。目前，浮射流已被广泛地应 用在水利、航空航天、环保、冶金、化工、交通、矿山等多个领域【5 】。 浮射流是环境水力学及流体力学近年来的重要研究对象【6 j 。自从本世纪2 0 年代开始研究无限空间同类流体中等密度自由紊动射流理论以来，国内外学者进 行了大量有关浮射流的研究工作，使浮射流理论有了较大的发展。浮射流特性研 究的目的主要在于确定它的稀释度、射流轴线的轨迹、射流扩展的范围和射流中 流速的分布。对于变密度、非等温和挟带有污染物质的射流还要确定密度分布、 温度分布和挟带物质浓度分布。 1 3 2 射流的类型 从不同的角度考虑可以将射流分为各种不同的类型1 7 j ： ( 1 ) 按流动型态可分为层流射流和紊动射流。工程实际中多为紊动射流。 ( 2 ) 按射流的物理性质可分为不可压缩射流和可压缩射流；等密度射流和 变密度射流。 ( 3 ) 按射流的断面形状可分为平面射流，圆形射流，矩形射流等。 ( 4 ) 按射流周围环境的条件也可分类如下： 从环境固体边界的情况划分：在无限空间的流体内运动的称为自由射流； 在有限空间的流体内运动的为非自由射流或有限空间射流，其中如有一边贴附固 体边界的称为附壁射流，射流沿水面射出的称为表面射流。从周围流体的性质 划分：射入同种性质流体之内的称为淹没射流，射入不同性质流体之内的则为非 淹没射流。 ( 5 ) 最后，按射流的原动力还可以分为动量射流，浮力羽流和浮射流三类。 动量射流以出流的动量为原动力，对以后的运动这个动量的作用仍是主要 的，一般等密度的射流属于这种类型，也称为纯射流；浮力羽流则是以浮力为原 动力，如热源上产生的烟气，因这种流动的形状和羽毛相似而得此名称；浮射流 的原动力包括出流动量和浮力两方面，如火电站或核电站的冷却水排入河流或湖 泊中的热水射流，污水排入密度较大的河口，港湾等海水中的污水射流等都是浮 射流的例子。 “。 1 3 3 紊动射流的特性 ( 1 ) 射流的形成，卷吸与混合作用瞵j 流体射入静止环境中时，与周围静止流体之间存在速度不连续的间断面，间 断面一般受到不可避免的干扰，失去稳定而产生涡旋，涡旋卷吸周围流体进入射 流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展，形成内 外两个自由紊动的混合层。由于动量的横向传递，卷吸进入的流体取得动量而随 西安理工大学硕士学位论文 同原来射出的流体向前流动，原来的流体失去动量而速度降低，在混合层中形成 一定的流速梯度出现剪切力，故也称剪切层。卷吸与混合作用的结果是，射流断 面不断扩大，流速则不断降低，流量却沿程增加。 ( 2 ) 紊动射流的分区结构 紊动射流在形成稳定的流动形态后，整个射流可划分为几个区段：由喷口边 界起向内外扩展的紊动掺混部分为紊流剪切层混合区；中心部分未受到掺混影 响，保持原来出口流速，称为核心区。从出口至核心区末端的一段称为射流的起 始段，紊动充分发展以后的部分称为射流的主体段。主体段与起始段之间有过渡 段。过渡段较短，在分析中为简化起见常忽略，只将射流分为起始段和主体段。 ( 3 ) 纵向射流分布的相似性 由实验观测得知，在射流的主体段，各断面的纵向流速分布有明显的相似性， 也称自保性。 ( 4 ) 射流边界混合层的线性扩展性 按统计平均，从实验观测得知射流的厚度是线性扩展的，但主体段的扩展率 略有不同。 ( 5 ) 等密度自由射流的动量守恒性 等密度自由紊动射流周围环境的压强分布，对于气体可看作常数。射流内部 的压强，有实侧资料说明它和静压分布略有差别，但差值很小，一般分析时都可 按静压分布处理。按动量定律可得到一个结论：单位时间通过射流各断面的流体 的总动量，即动量通量是常数，即：f u d m = i 。p u 2 d a = c o n s t 。对于变密度自由射 ，一 ，目a 流，这个关系就不存在。 ( 6 ) 自由射流的若干紊动特性 由实验测知射流中的紊动非常强烈，其三个方向脉动流速大小和时均流速属 于相同量级，且流动的真正相似是在距喷口较远才能达到。紊动强度的最大值也 不在轴线上。 1 4 射流研究方法 目前，用于分析和认识紊动射流问题的方法主要有3 种9 ，1 0 1 ：理论分析、实验 研究和数值模拟。实验研究能综合考虑影响流动的各种因素，结果客观可靠。虽 然实验测量有投资大、结果的精度和可靠性受测量仪器和环境的影响等问题，但 对于复杂的紊动射流问题，目前难以用理论计算解决时，它仍然是分析问题的一 个重要途径。在数值模拟方面，数值模拟分析即计算流体力学( c f d ) 方法具有投 资小和精度易于提高等特点，是一种研究流体流动的有效方法。因此，随着计算 机水平和计算技术的不断发展，用数值方法研究流动与传热，已成为当前国际上 最活跃的研究领域之一，而且c f d 的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发 4 1 绪论 展，为简化流动模型提供了更多的依据，使得很多分析方法得到完善和发展，它 可以在非常广泛的流动参数范围内，对所有的流场参数进行定量地分析，而这往 往是采用实验手段和理论分析所无法做到的。同时，由于数值解是与具体问题有 关的，这就需要有与特定的流动结构相对应的可靠的实验数据，才能对湍流模型 的有效性进行直接的评价，这对实验测量和数值计算结果之间的相互验证以及对 湍流模型有效性的评价是非常有益的。 1 5 射流的研究现状 有关射流问题的研究，国内外有众多专家和学者进行了深入的研究。从2 0 世纪2 0 年代至今，国内外对射流的研究多集中在等温条件下射流、浮力射流、 浮力羽流等方面的排放近区研究，很多成果已日趋成熟，有关方面的主要代表有： a b r a m o v i c h t l l 、r a j a r a t n a m 12 1 、f i s c h e r 【1 3 1 、r o d i 1 4 1 、l i s t 1 5 】、j i 衄【1 6 1 、余常昭【1 7 1 、 李炜【1 8 】、槐文信【1 9 】等。 1 5 1 单孔射流的研究 对于射流的研究早期是从单孔射流开始的。在这一方面前人己做了大量的理 论和实验研究，取得了较成熟的的理论和成果。先前对单孔紊动射流的研究国外 的较多，k a m o t a n i 和g r e b e r 2 0 】对流速比r ( r 为射流的出口流速与横流流速之比) 较大范围内的紊动射流宏观特性进行了测量，得出基于射流流速场和温度场所决 定的射流轨迹线是不一致的，并给出了基于速度和温度的射流轨迹线的方程； s u b r a m a n y a & p o r e y 2 1 1 ，p r a t t e & b a i n e s 2 2 1 系统研究了射流轨迹线方程，但都侧重于 射流的时均量研究；a n d r e o p o u l e s 2 3 】对射流的时均结构做了补充外，重点测量了 几个高阶紊动量，给出了一些有益的结果；s y k e y 等【2 4 】运用一方程湍流模式，探讨 了在高流速比下横流中射流的涡动力学特性；j i r k a & h a r l e m a n 2 5 1 对静止环境中平 面狭缝射流近区稳定性和混合特性作了详尽的研究，取得了一些理想的效果。 l e e & j i r k a 【2 6 】对浅水环境中的圆形垂直射流的排放稳定性和混合特性进行了理论 分析和试验验证，由于理论分析困难和试验测量手段的局限，他们提供的流场、 温度常的资料有限。 在国内，槐文信，李炜【2 7 】利用混合有限分析法和和交错网格的思想，首次对 静止分层环境中圆形浮力射流全场特性进行了模拟，其结果和试验资料基本吻 合，还采用同样的方法对不同流速比下横流中单圆孔紊动射流流动特性进行了模 拟计算，其结果与试验资料吻合较好，同时还发现了该流动中的分叉现象和马蹄 涡结构【2 8 】；槐文信将k s 方程无量纲化后，应用交错网格下的s i m p l e r 方法 进行求解得到同流热污水排放近区特性，其计算得到的热浮力射流中心平面的温 度分布同m c g u i r k ( 1 9 7 5 ) 的物理模型试验结果十分吻合【2 9 】；文献 3 0 ，3 1 采用标 西安理工大学硕士学位论文 准k s 模型对横向流动条件下垂直射流的时均特性进行了数值研究，得到了各 种射流比情况下的射流轨迹线、对称面上的内外边界线的统一表达式，并得到了 射流是否发生附壁及产生分叉现象的界限值；槐文信还对浅水型同流污水的排放 近区稀释特性进行了数值预报，得到了温度和速度的沿程变化规律和浮力射流的 分叉现象( b i f u r c a t i o n ) 3 2 1 ；彭文启【3 3 j 采用k s 湍流模式，结合多重网格的混合 有限分析法对流速比r = 2 的流场进行了研究，其目的是检验多重网格下混合有限 分析法对复杂流场的适用性，计算结果比文献 3 4 更符合试验资料；黄真理等【3 4 】 利用平面激光诱导荧光，对明槽水流中底孔排放的单孔和多孔射流浓度场进行了 研究，观测到低速比时射流出现分叉现象和尾涡，并给出了马蹄涡结构沿水深的 变化过程。 一 一 1 5 2 多孔射流的研究 ! 多孔射流目前多应用在扩散器中，它是一种用来增强污水与环境水体掺混稀 释能力的工程措施。由于单孔排污在某些情况下已不适应社会经济和环境保护发 展的要求，目前许多工程技术中采用多孔射流。多孔射流与单孔射流的主要区别 是孔间射流喷出后存在相互吸附效应，使流场比单孔射流复杂得多。虽然研究多 孔射流比较困难，但仍有许多专家和学者对静水或动水，横向或同向等的多孔射 流进行了分析研究。 蒋传丰【3 5 】和左东启等人【3 6 】依据该量纲分析理论，研究了有限水深竖管式多孔 扩散器排放污水的掺混机理，多孔浮射流的混合特性，以及污水密度佛汝德数， 喷孔雷诺数，扩散器排污负荷，扩散器竖管和喷孔布置等诸多因素对多孔浮射流 混合特性和初始稀释度的影响；l e s c h z i n e 和r o d i t 3 7 】利用三种不同的差分格式来 求解修正的k s 紊流模型，计算了环形和双孔射流的吸附区内回流流场； k i m & s e o 3 8 利用b l u m b e r g & m e l l o r 建立的张量输移方程模拟多孔热水浮射流在 同向水流作用下的速度和温度场情况；槐文信和李炜f 3 9 】利用标准的k s 紊流模 型并结合混合有限分析法计算的结果优于前者；文献 4 0 利用混合有限分析方法 求解相应边界条件下的n s 方程，揭示了定常的二维双孔层流射流在有限空间 内的流动结构，试验测量结果和数值模拟的结果吻合良好；结合双孔平面射流流 场的数值模拟，槐文信和李炜1 4 l j 还比较了标准k s 模式、修正常数的k 一模式 和低雷诺数k 一模式的精确性，经同中线流速沿程变化、流函数等值图和压强 等值图的试验资料相比较后认为修正常数的，c 一模式模拟能较精确地模拟双孔 射流的流动；槐文信将，c s 方程无量纲化后，应用交错网格下的s i m p l e r 方 法进行求解，分析了河流中单向性排放中多孔排放与多孔排放、排放角度的大小、 相对孔间距、流速比和相对水深等因素对稀释度特性的影响【4 2 “3 1 。 张晓元等人【4 4 】利用标准的k 一紊流模型并结合混合有限分析法研究了均匀 6 1 绪论 排列无限多孔平面射流混合区的流动，分析了不同孔间距对流动特性的影响；槐 文信和杨晓亭【4 5 1 还将标准的的，c s 紊流模型和交错网格下的混合有限分析法应 于浓度场特性的数值预报上，研究了横流与射流、射流与射流的相互作用，以及 射流中的分叉现象等，研究发现，多孔射流表现出强烈的c o a n d a 效应，在一定 条件下多孔射流也存在分叉现象，其混合点随着流速比和相对孔间距的增大而下 移是影响射流轨迹的主要因素；王超【4 6 】对多孔t 型扩散器的近区排放特性进行 了量纲分析和数值模拟计算，成功地预报了t 型扩散器排放近区轴线流速、浓度 及稀释度的沿程变化关系；l e e 4 7 】和王超【4 8 1 分别采用总流分析的方法对单向性河 流中多孔扩散器近区特性进行了研究，将多孔排放概化为等效的二维连续源来处 理进而得到该类流动的一些规律；卢顺安【4 9 】对多孔平行圆形紊动射流进行了系 统的试验研究；根据多孔平行射流的流动特征应用，结合实际工程，王超和严忠 民等人【5 0 】还对河道中同向扩散器的稀释掺混特性进行实验研究。 1 6 本文的研究内容 。 以前国内外对射流的研究主要集中在单孔射流中污染物的传输和扩散理论 的实验研究，而对多孔热水浮射流这一课题的理论研究比较少见。这主要是由于 多孔射流的流态极其复杂，实际求解其数学模型方程受以往计算机计算速度和存 储能力的限制，因此理论上研究较少，实验研究较多。近年来由于现代计算技术 及软件的突飞猛进，为从理论上开始研究热水浮力射流提供了有利条件。国内外 的一些学者和专家开始运用计算机技术对浮射流进行了研究，他们主要集中在单 孔射流和横流的研究上，对两孔以上的多孔射流和同流环境中的射流研究的不 多。为此，本文将运用f l u e n t 软件中考虑浮力作用的雷诺应力模型对同向流 动中的热水浮射流进行数值模拟研究，采用s i m p l e 算法对模型中的方程进行离 散，以探讨多孔热水浮射流在同向流动环境中的运动模式，建立其近区的三维数 学模型，探明多孔热浮水射流在同流环境中流态的内在结构、运动规律、冷却水 的掺混过程和扩散范围，以便为以后的此类研究提供一点参考。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 综合分析各种紊流数学模型，最终选择r e y n o l d s 应力模型并结合合适 的差分方法和离散格式进行计算，运用g a m b i t 软件进行前处理、f l u e n t 软 件进行计算和t e c p l o t 软件进行后处理。 。 ， ( 2 ) 建立同流环境中单孔、三孔和五孔的射流数学模型，分析多孔射流流 动的基本特性，并与单孔射流进行比较。 ( 3 ) 以三孔射流为例分析同流环境中多孔热水浮射流在不同孔间距时的射 流特性，探讨孔间距的大小对射流的影响。 ( 4 ) 以三孔射流为例分析同流环境中多孔热水浮射流在不同射流温度时的 7 西安理工大学硕士学位论文 射流特性，探讨温差的大小对射流的影响。 ( 5 ) 以三孔射流为例分析同流环境中多孔热水浮射流在不同流速比时的射 流特性，探讨流速比的大小对射流的影响。 8 2 紊流数学模型 2 紊流数学模型 在自然环境中，存在着众多复杂的紊流流动。例如，在海洋、江河、大气层， 甚至在人体内，都存在着紊流。可以这样说，自然界和工程中的流动大多数是紊 流。紊流是一种高度复杂的二维流动。虽然能利用n s 方程求解得出紊流在某一 瞬时的运动情况，但对工程而言并无实际意义，实用上往往采用系统平均的n s 方程来描述工程物理学i 、u j 题中遇到的紊流运动，但这样处理后的方程组不封闭， 不能求解。如何根据紊流的性质建立附加的条件使方程组封闭，即所谓紊流模型， 成为紊流研究的一个重要方面。自从r e y n o l d s 在1 8 9 5 年提出时间平均的n s 方 程以来，研究人员花了一个世纪的时间来尝试建立r e y n o l d s 应力的紊流模型， 现在紊流模型已经取得了某些预报能力5 1 。5 2 1 。 2 1 紊流基本理论 2 1 1 紊流模型的基本假定 c h e n 和s i n g h 选取了现今大多数紊流模型沿用的基本假定，可概括如下： ( 1 ) 能正确描述紊流平均运动和输运特性，瞬时流体运动被平均后失去了流 体运动的详细信息，模型要求重新探明失去的信息。 ( 2 ) 紊流输运特性的扩散与输运特性的梯度成正比。 ( 3 ) 小的紊流涡是各向同性的。 ( 4 ) 所有紊流输运量都是k 、s 、p 、p 、t 等的局部函数。 ( 5 ) 所有被模化的紊流现象的对称性、不变性、排列顺序及物理观测必须是 相容的。 ( 6 ) 紊流现象可以用基于紊流动能的某一个紊流尺度及耗散率( k 、s ) 来表 征。 ( 7 ) 所有紊流模型的模数都要通过实验校准和确定。 2 1 2 紊流的基本方程 张量形式紊流基本方程为： 连续方程： 一 粤+ 昙( 肚乒0 ， ( 2 1 ) 动量方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) ： 一。剑d t + 掣= 一考d x + 毒d x 卜考一p 丽) + 墨 c 2 叙，。，i 。缸，。一j 9 西安理工大学硕士学位论文 其他变量的输运方程： 掣+ 掣= 毒( r 考一p 万 + s c 2 a 瓠ja x j 叙jl 。) 上面三式就是张量指标形式的时均连续方程、r e y n o l d s 应力方程和标量西的 时均输运方程。这里f 、指标取值范围是( 1 ，2 ，3 ) ，我们定义一p “：“j 为r e y n o l d s 应力。以上方程组不封闭，必须引入新的紊流模型( 方程) 才能使方程组封闭。 2 1 3 紊流数值模拟方法分类 紊流数值模拟方法分类框图如下图所示： 紊流数值模拟方法 直接数值模拟( d n s ) ll 非直接数值模 大涡模拟方法( l e s ) r e y n o l d s 平均法( r a n s ) ii 统计平均 r e y n o l d s 应力模型li 涡粘模型 r e y n o l d s 应力方程 模型 ( r s m ) 驯(asm 方程模型ll 方 ) ii 程 方 程 模 型 两 方 程 模 型 标准 k - c 模 型 r n g k 模 型 r e a l i z a b l c k - e 模 型 其他 两方 程模 型 图2 - 1 紊流数值模拟方法分类框图 f i g u r e2 一lc l a s s i f i e dd i a g r a mo f t u r b u l e n tf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d 总体而言，目前的紊流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数 值模拟方法。所谓直接数值模拟方法是指直接求解瞬时紊流控制方程。而非直接 l o 2 紊流数学模型 数值模拟方法就是不直接计算紊流的脉动特性，而是设法对紊流做某种程度的近 似和简化处理。依赖所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大 涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平均法。统计平均法是基于紊流相关函数的统 计理论，主要用相关函数及谱分析的方法来研究紊流结构，统计理论主要涉及小 尺度涡的运动，这种方法在工程上应用不广泛【5 3 ，5 4 1 。 直接数值模拟( d n s ) 就是直接用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对紊流进行计算。 d n s 的最大好处是无需对紊流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准 确的计算结果。d n s 法对空间和时间的步长要求非常小，对于这样的要求，现 有的计算机能力还是比较困难的。d n s 对内存空间及计算速度的要求非常高， 目前还无法用于真正意义上的工程计算，但大量的探索性工作正在进行中。 大涡模拟( l e s ) 就是放弃对全尺度范围上涡的运动模拟，而只将比网格尺 度大的紊流运动通过n a v i e r - s t o k e s 方程直接计算出来，对于小尺度的涡对大尺 度涡的影响则通过建立模型来模拟。总体而言，l e s 方法对计算机内存及c p u 速度的要求仍比较高，但低于d n s 方法。 r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 的核心是不直接求解瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程， 而是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程。这样，不仅可以避免d n s 方法的计算 量大的问题，而且对工程实际应用可以取得很好的效果。r e y n o l d s 平均法是目前 使用最为广泛的紊流数值模拟方法。根据对r e y n o l d s 应力做出的假定或处理方 式不同，目前常用的紊流模型分为r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。 2 2 涡粘模型 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入紊动粘度或称涡 粘系数，然后把紊流应力表示成紊动粘度的函数，整个计算的关键在于确定这种 紊动粘度“。紊动粘度的提出来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定。依据确定“的 微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型、一方程模型、两方程模型。 目前两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型是标准k g 模型， 即分别引入关于湍动能k 和耗散率s 的方程。此外，还有各种改进的k 一模型， 比较著名的是r n g k s 模型和r e a l i z a b l e