劉志奇

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

0 引 言

多孔射流是淹沒式多孔擴散器污水排放中典型的流動現(xiàn)象。采用淹沒式多孔擴散器排放污水，它是將一排射流口排列在擴散器的一側或兩側，將污水以多孔射流的形式向環(huán)境水體中排放，這種排放方式可以較大增強射流與環(huán)境水體的卷吸作用，提高射流流體與環(huán)境水體的摻混、稀釋度，并己在城市污水排放工程和許多熱電廠的廢熱水排放工程中得到應用。然而，由于多孔射流與環(huán)境流體之間相互作用的復雜性，相對于單孔射流，多孔射流具有特殊的流動結構和流動規(guī)律，目前有關這方面研究相對較少。本文采用FLUENT軟件中的Reyonlds應力模型，并結合SIMPLE算法對動水環(huán)境中的多孔浮射流展開研究。

1 計算工況

以單孔射流、三孔射流和五孔射流為研究對象，探討不同孔數(shù)時各股射流之間的相互影響。計算工況見表1。

表1 各種計算工況匯總表

2 計算結果分析

2.1 壓強場分析

壓強是決定流場運動特性的關鍵因素，流場中速度、溫度等各種物理量的運動變化規(guī)律均與壓強變化密切關系。單孔、三孔、五孔的y=0斷面的壓強等值線圖具有相同的變化規(guī)律，現(xiàn)以單孔y/d=0斷面的壓強等值線圖進行分析。

圖1為單孔y=0斷面壓強的等值線分布圖。從圖1中可以看出，射流周圍的壓強要低于射流中心的壓強。對于同流中的熱水浮射流，在射流近區(qū)流動主要受動量的控制,浮力作用不大,從而射流的軌跡與來流的夾角不大,射流的彎曲程度不明顯，隨著距噴口距離的增遠，射流的動量逐漸減小，由于密度差而產生的浮力作用漸漸占主導地位，射流逐漸向上彎曲。射流射出后，不斷卷吸周圍環(huán)境流體，被卷吸進來的流體流速逐漸增大，而射流中心的流速不斷減小，壓強逐漸降低。在射流軸線附近，射流軸線上面的壓強要低于射流軸線下面的壓強，這是由于浮力的作用產生的，而浮力作用不是很明顯，所以射流軸線上面和射流軸線下面壓強的差值很小，所以射流發(fā)生微彎曲，向上彎曲的程度不明顯。隨著距離的增遠，浮力作用逐漸占主導地位，射流的彎曲程度漸漸明顯。在射流軸線附近的下方，隨著z的增大，壓強逐漸增大，壓強梯度dp/dz>0，說明流動處于正壓梯度區(qū)；在射流軸線附近的上方，隨著z的增大，壓強逐漸減小，壓強梯度dp/dz<0，說明流動處于逆壓梯度區(qū)。由于浮力的作用射流向上彎曲，從而阻礙了迎流面的流體繼續(xù)向前流動，而使迎流面的壓強有所增大；在射流的迎流面，射流主區(qū)域的壓強隨x的增大逐漸變大，壓強梯度dp/dx>0，說明流動處于正壓梯度區(qū)；在射流的背流面，射流主區(qū)域的壓強隨x的增大而逐漸減小，此時壓強梯度dp/dx<0，流動處于逆壓區(qū)，這是由于射流向上彎曲遮擋環(huán)境流體的結果。由于射流周圍的壓強要低于射流中心的動態(tài)壓強，這就促使射流主區(qū)域的水體向環(huán)境水體中擴散。然而，由于射流本身的卷吸作用，也要卷吸大量的環(huán)境水體進入射流主區(qū)域，隨著距射流主區(qū)域的距離進一步增大，壓強逐漸衰減，最后與環(huán)境水體的動態(tài)壓強趨于一致。

圖1 單孔y/d=0斷面壓強分布圖

圖2為z/d=0斷面單孔、三孔和五孔的壓強等值線分布圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，壓強在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心線呈對稱分布，每股射流的壓強等值線具有相同的變化規(guī)律。射流從噴口射出后壓強迅速降低，直至與環(huán)境流體的壓強一致。從圖2(b)和圖2(c)中可以看出，每兩股射流區(qū)域之間的壓強要低于射流及射流之外的大部分環(huán)境流體的壓強，所以相鄰的兩股射流在向前運動的同時也在向一起靠攏，兩股射流的彎曲或傾斜方向相反，兩股射流中心之間的間距越大，各股射流的彎曲程度也會越大。在射流孔口附近，射流之間的相互靠攏彎曲現(xiàn)象不明顯，但隨著距孔口距離的增遠，相鄰兩股射流之間的彎曲靠攏現(xiàn)象將逐漸明顯。由于相鄰射流之間的相互靠攏，使得每股射流的獨立射程縮短，即混合區(qū)提前。

圖2 不同孔數(shù)時z/d=0斷面壓強分布圖

2.2 流場分析

對于單孔射流，流場可分為射流起始段、過渡彎曲段和順流貫穿段；而對于多孔射流，流場應分為單個射流區(qū)、射流混合過渡區(qū)和流動混合后的二維區(qū)3段。無論是單孔射流還是多孔射流，在每股射流的縱剖面上，其各物理量的等值線分布圖極為相似。圖3為3孔y/d=0斷面速度等值線分布圖。圖3中射流孔口的流速為0.6 m/s，環(huán)境流速為0.1 m/s，相鄰兩條等值線之間的差值為0.02 m/s。從圖3中可以看到，射流從孔口射出后迅速與環(huán)境流體劇烈摻混，并卷吸大量的環(huán)境流體。在孔口附近，速度衰減很快，這是由于孔口附近的紊動動能較大，射流與環(huán)境水體紊動摻混作用較強所致。隨著距噴口距離的增大，紊動動能逐漸減小，摻混稀釋作用減弱，速度衰減變慢。在距孔口70倍直徑的位置，射流軸線上的速度已經從0.6 m/s衰減到0.14 m/s，此后流速的衰減更慢，在距孔口160倍孔口直徑的位置，射流軸線上的流速還未衰減至0.12 m/s。

圖3 三孔y/d=0斷面速度等值線分布圖

圖4為x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的流速等值線分布圖。各射流中心的最大速度約為0.15 m/s，環(huán)境流速為0.1 m/s，相鄰兩條等值線的差值為0.01 m/s。從圖4中可以看到，在邊壁附近流速要小于0.1 m/s，這是由于邊壁不夠光滑，環(huán)境流速受到壁面的摩擦阻礙流速變小。從圖4(a)中可以看到，射流的腎型結構已經初現(xiàn)端倪，到一定距離后射流的腎型結構就會清晰可辨。從圖4(b)和圖4(c)中可以看出，各股射流在x/d=60位置已經混合，三孔射流呈近似W型或山型分布，而五孔射流更似五座連綿不斷的山峰并排在一起。

當相鄰兩股射流中心之間的距離很大時，其間有充足的水被卷吸進射流，此時多孔射流和單孔射流完全一樣；當相鄰兩股射流中心之間的距離很小時，其間沒有充足的水供射流卷吸，兩股射流就會相會吸附,多孔射流在其每兩股之間都存在相互吸附的效應，此種吸附效應可從圖4(b)和圖4(c)中看到。由于各股射流兩側提供環(huán)境流體的能力不同,射流會產生不同程度的偏轉。圖4(b)中兩側的兩股射流距離邊壁遠，有充足的水供吸附摻混，而它們與中心那股射流之間的距離相對較近，其間沒有充足的水被吸附摻混，故兩側的兩股射流會向中心偏斜，而中心射流由于受兩側射流的影響一樣，不會向任何一側偏轉。圖4(c)中的中心射流也不會偏轉，但是其左右的兩股射流都會向其偏轉，只是偏轉的程度不一樣，靠近中心射流的那股射流偏轉小，遠離中心而距壁面近的向中心偏轉大。

圖4 不同孔數(shù)時x/d=60斷面流速分布圖

圖5為x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的速度矢量圖。從圖5中可以看到，每股射流都產生一腎型渦旋結構，圖5(a)的單孔射流的渦旋結構較對稱，而圖5(b)和圖5(c)中各股射流的渦旋結構很不對稱。這是由于各股射流的吸附能力不同所致，周邊孔射流較中間孔射流有更充足的水夠吸附、摻混，兩側射流在吸附作用下向中間彎曲，從而產生不對稱渦旋結構。

與單孔射流相比，多孔射流在主流區(qū)及壁面附近的速度梯度要比單孔射流小，在射流遠區(qū)，兩者的速度分布相差不明顯。隨著距離的增加，射流速度逐漸和環(huán)境流速趨于一致。與單孔射流相比可以發(fā)現(xiàn)，多孔射流的軸線速度要比單孔射流在同一距離處的軸線速度略大，而且距離越遠，差別越明顯。在多孔射流中，軸線速度隨著孔數(shù)的增多而增大，射流的紊動動能也會隨之增大。通過對比發(fā)現(xiàn)，多孔射流的軸線速度并不是每一股射流各自速度的簡單疊加，該速度要比每一股射流疊加后的速度小，在相同條件下，多孔射流具有更大的影響區(qū)域。

圖5 不同孔數(shù)時x/d=60斷面速度矢量圖

2.3 溫度場分析

圖6給出五孔y/d=0斷面的溫度等值線分布圖。射流孔口溫度45℃，環(huán)境溫度為20℃，相鄰等值線的差值為1℃。從圖6中可見，溫度越高的地方，等溫線分布越密。水流從孔口射出后，迅速摻混，溫度隨之迅速降低，隨著離孔口距離的增大，溫度逐漸趨于均勻。由于溫差而產生密度的差異，從而產生浮力，由于受到浮力的作用，沿著射流的發(fā)展而使斷面上的等溫線逐漸向上抬起，但是彎曲程度不是很明顯。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于溫度在上升過程中,主要受浮力作用的影響,而熱水浮力射流由于溫差所造成的浮力作用是十分有限的。

圖6 五孔y/d=0斷面溫度分布

圖7為z/d=1斷面單孔、三孔和五孔溫度等直線分布圖。從圖7(a)中可以看出，在x/d=60時單孔射流已經開始分叉，溫度降至21℃。從圖7(b)和圖7(c)中可以看出，由于多孔射流中每股射流之間的相互影響，相互吸附和摻混，多孔射流中每股射流的分叉現(xiàn)象產生的要比單孔的早，而且離中孔的距離越遠分叉現(xiàn)象產生的越早。這是由于多孔射流的相互吸附摻混作用造成的，由于每股射流之間的空間有限，相鄰兩股射流相互吸附而發(fā)生偏轉，中孔兩側的各股射流都向y/d=0的中間靠攏，從而使中心處溫度不能向兩邊射流那樣摻混稀釋的快，故中心處的溫度要比兩邊的溫度高。由于受到臨近射流的吸附作用，中心線上射流的高溫區(qū)要比兩側射流的高溫區(qū)延后一些。這是由于中心線上的溫度受到兩邊射流溫度的影響，不能像單孔射流那樣迅速稀釋擴散的結果，由于兩側射流都向中心線靠攏，從而使得在同一x斷面處，中心線上的溫度要比兩側溫度略高一些。當各股射流都已混合后，便會形成新的像單股射流形式那樣繼續(xù)向前運動擴散，但是溫度的最大值產生在每兩股射流的中間，射流的分叉現(xiàn)象變得更加清晰可辨，這從圖7(b)和圖7(c)中的21℃等溫線可以看出。

圖7 不同孔數(shù)時z/d=1斷面溫度分布圖

圖8為x/d=80斷面單孔、三孔和五孔的溫度等值線分布圖。各股射流中心最大溫度約為22℃，最小溫度為20℃，相鄰兩條溫度等值線的差值為0.1℃。從圖8中可看到，溫度等直線的分布圖與x/d=60斷面的速度等值線分布圖極為相似。單孔射流的馬蹄形結構已經發(fā)展，三孔和五孔射流的各股射流已經混合，各股射流相互影響，相互吸附，相互摻混，從而使射流中心處的溫度值較高，離中間孔越遠，溫度值越低。由于射流不斷卷吸周圍環(huán)境水體，摻混越來越劇烈，溫度逐漸均勻分布而使等溫線逐漸呈現(xiàn)稀疏分布，影響區(qū)域面積則不斷擴大。隨著距孔口距離的增大，溫度的遞減逐漸趨于穩(wěn)定，以后溫度漸漸降低，直至與環(huán)境水溫一致。同時可以看出，隨著射流的發(fā)展，在三孔射流的斷面上呈現(xiàn)W型或山型圖樣，而五孔射流恰似五座連綿不斷的山峰并排在一起。在橫斷面上呈現(xiàn)相應孔數(shù)的溫度等值線高溫區(qū)，而每一個高溫區(qū)都呈現(xiàn)象單孔射流那樣的腎型結構。由于射流之間的相互吸附、摻混等的作用，腎型結構變得更加不規(guī)則，同時多孔射流中每股射流的影響面積也沒有單孔射流的影響面積大。

圖8 不同孔數(shù)時x/d=80斷面溫度分布圖

3 結 語

1) 從單孔y=0斷面壓強的等值線分布圖中可以看出，射流周圍的壓強要低于射流中心的壓強。從z/d=0斷面單孔、三孔和五孔的壓強等值線分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓強在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心線呈對稱分布，每股射流的壓強等值線具有相同的變化規(guī)律。

2) 給出三孔y/d=0斷面速度等值線分布圖；x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的流速等值線分布圖、射流的速度矢量圖。

3) 給出五孔y/d=0斷面的溫度等值線分布圖，射流孔口溫度45℃，環(huán)境溫度為20℃，相鄰等值線的差值為1℃。從圖中可見，溫度越高的地方，等溫線分布越密。并得出x/d=80斷面單孔、三孔和五孔的溫度等值線分布圖與x/d=60斷面的速度等值線分布圖極為相似。