王勇，趙永俊，丁文浩，徐世凱，趙金簫

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 10098；3.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

在工業(yè)排污、火（核）電廠冷卻水及生活污水排放中，經(jīng)常會遇到射流排放流體與受納水體存在密度差的異重射流。異重射流中最常見的就是電廠冷卻水排放中的浮射流問題。近年來，對靜止環(huán)境中和同向流動條件下的射流進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)測量，對其流動規(guī)律建立了較好的理解。然而，對于更加復(fù)雜、更加具有實(shí)際意義的橫向流動條件下的浮射流，由于存在著浮射流與橫向流動之間的相互作用，導(dǎo)致其流動現(xiàn)象更為復(fù)雜。因此，系統(tǒng)、全面地研究橫向流動條件下水平浮射流的三維流動規(guī)律具有重大的理論和實(shí)際意義[1，2]。

1 物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)

在溫排水和排污工程中，當(dāng)溫水或污水側(cè)面水平排入密度較大的環(huán)境水體時(shí)，就出現(xiàn)了橫向流動下的水平浮射流。根據(jù)已有的研究，橫向流動條件下的水平浮射流可近似地分為近區(qū)、彎曲段和隨流擴(kuò)散段[3，4]。

在射流近區(qū)，射流的初始動量對射流特性影響較大，射流的軌跡在橫流的影響下略有彎曲。在射流彎曲段，射流速度逐漸降低，射流與橫流速度相近，橫流對射流特性的影響逐漸增強(qiáng)。在隨流擴(kuò)散段，射流在橫流作用下完全彎曲，流動方向基本與橫流方向一致。但是，從一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域的過渡是逐漸的，不是截然區(qū)分的，因而對于不同區(qū)的范圍，沒有一個(gè)唯一的標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。橫向流動條件下水平浮射流流動分區(qū)見圖1。

圖1 橫向流動條件下水平浮射流流動分區(qū)示意圖

文中建立了橫向流動條件下水平浮射流試驗(yàn)水槽，對坐標(biāo)系統(tǒng)的規(guī)定：x——沿水流方向即水槽的縱向（環(huán)境水體方向?yàn)檎?，沿水流方向?yàn)檎粃——垂向，向上為正；y——沿水槽的橫向，排水口射流方向?yàn)檎?；排水口中心為坐?biāo)原點(diǎn)。試驗(yàn)系統(tǒng)坐標(biāo)見圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)坐標(biāo)

文中利用PLIF 技術(shù)研究了橫向流動條件下水平浮射流的混合特性。PLIF 技術(shù)原理：每種物質(zhì)分子都有其電子能級，當(dāng)吸收特征頻率的光子后，可由基態(tài)躍遷至不同能級的激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，通過輻射躍遷和非輻射躍遷等分子內(nèi)的去活化過程釋放多余的能量而返回基態(tài)。在輻射躍遷的去活化過程中，產(chǎn)生光子的發(fā)射，并伴隨著熒光現(xiàn)象。由于激發(fā)和發(fā)射之間存在一定的能量損失，產(chǎn)生熒光的波長總是大于激發(fā)光的波長，這就為分離激光和熒光提供了可能。熒光產(chǎn)生的外部條件需要理想的激光光源，因?yàn)榧す夤庠淳哂蟹较蛐院?、能量高度集中、光子通量大和單色性好等許多優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

2 物理模型試驗(yàn)成果分析

針對不同的水流條件和不同位置共進(jìn)行了5組試驗(yàn)，其中排水口直徑D= 0.8 cm，排水口中心距離水槽底部20.0 cm，水深為24.0 cm。試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

本文利用PLIF 技術(shù)，對橫向流動條件下水平浮射流在不同位置豎直截面的溫升場進(jìn)行了試驗(yàn)，對比了豎直截面相同流速比和不同流速比的溫升分布。通過研究不同流速比、不同位置的溫升分布來闡明橫流中水平浮射流的混合特性。試驗(yàn)中的環(huán)境水溫為17.5 ℃、射流出口水溫為37.5 ℃。圖3為不同流速比、不同位置的溫升場豎直截面圖。

從圖3中可以看出，在y=4.0 cm 的射流豎直截面上，當(dāng)出口流速比R分別為13.2，9.5，7.4 時(shí)，射流的時(shí)均溫升場豎直截面形狀分別對應(yīng)腎形、馬蹄形結(jié)構(gòu)的雛形、充分發(fā)展的馬蹄形結(jié)構(gòu)。在y= 6.0 cm 的射流豎直截面上，當(dāng)出口流速比R=13.2 時(shí)，射流的時(shí)均溫升場形狀已經(jīng)為馬蹄形結(jié)構(gòu)；當(dāng)出口流速比R= 9.5 時(shí)，射流的時(shí)均溫升場剛分成了兩股，但是馬蹄形結(jié)構(gòu)后的“兩翅”還不夠明顯；當(dāng)出口流速比R=7.4 時(shí)，射流時(shí)均溫升場馬蹄形結(jié)構(gòu)的后“兩翅”被拉得較長，流動明顯分為兩股，形成分叉現(xiàn)象。在y= 8.0 cm 的各工況射流豎直截面上，馬蹄形結(jié)構(gòu)都已經(jīng)消失。說明橫向流動條件下水平浮射流的時(shí)均溫升場形狀隨著流速比的變小，經(jīng)歷了從腎形到馬蹄形結(jié)構(gòu)，再到出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，最后馬蹄形結(jié)構(gòu)消失的過程。

圖3 不同流速比不同位置的溫升場豎直截面圖

橫向流動條件下，水平浮射流時(shí)均溫升場的腎形和馬蹄形結(jié)構(gòu)主要是橫流和水平射流共同作用的產(chǎn)物。如圖4所示，射流主區(qū)域附近存在一個(gè)類似圓柱繞流的流動，當(dāng)射流與橫流相遇后，在射流的迎流面正中附近區(qū)域，出現(xiàn)橫流流速趨近于零的點(diǎn)（駐點(diǎn)），在迎流面上下兩側(cè)橫流發(fā)生分離，并加速從射流兩側(cè)流過，這樣水平射流上下兩側(cè)就形成一對對稱的繞流。此時(shí)，在射流和橫流的交界面上存在著較大的速度差和較強(qiáng)的剪切作用，正是由于這種剪切作用，在水平射流上下兩側(cè)出現(xiàn)了一對反向渦，促使了水平射流腎形和馬蹄形結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而形成了溫升場的分布形狀。

圖4 水平浮射流上下兩側(cè)的一對反向渦

水平浮射流時(shí)均溫升場形狀的發(fā)展主要受到橫流和水平射流的共同作用。當(dāng)出口流速比較大時(shí)，射流的初始動量對射流特性影響較大。射流的特性與靜水中射流相似，射流的軌跡在橫流的影響下略有彎曲，射流的時(shí)均溫升場豎直截面形狀為腎形。隨著流速比的變小，橫流對射流特性的影響逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生的剪切作用也相應(yīng)增強(qiáng)。射流的時(shí)均溫升場截面形狀逐漸發(fā)展為馬蹄形結(jié)構(gòu)，并且出現(xiàn)馬蹄形結(jié)構(gòu)后的“兩翅”。隨著射流的進(jìn)一步發(fā)展，橫流的作用逐漸占主導(dǎo)地位，馬蹄形結(jié)構(gòu)的“兩翅”逐漸被橫流拉伸、變長，兩分叉由于相互的摻混作用逐漸合二為一，并趨于均勻化，馬蹄形結(jié)構(gòu)逐漸消失。射流流動方向與橫流方向趨于一致，并最終與橫流完全摻混。對比相同出口流速比條件下射流在不同截面上的時(shí)均溫升場形狀，同樣可見，隨著y值的增加、流速比的變小，射流經(jīng)歷了從腎形到馬蹄形結(jié)構(gòu)再到出現(xiàn)分叉，最后馬蹄形結(jié)構(gòu)消失的過程。

3 結(jié)語

橫流中水平浮射流溫度場垂直剖面經(jīng)歷了一個(gè)從腎形結(jié)構(gòu)到馬蹄形結(jié)構(gòu)再到分叉，最后兩個(gè)分叉相互混合的過程，其中射流速度比是最重要的影響因素。PLIF 技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)及水工水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究中的應(yīng)用前景較廣，可以在眾多科研項(xiàng)目中發(fā)揮重要的作用，對于提高水力學(xué)模型試驗(yàn)的研究水平有較大的意義。