徐振山,韓 松,張玉玲,陳永平

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 廣州 510663)

排海污水通常以單孔或多孔射流的形式在海水中運(yùn)動(dòng),而多孔逐漸取代單孔擴(kuò)散器成為污水處置工程的發(fā)展趨勢(shì),其運(yùn)動(dòng)和稀釋規(guī)律是海岸水動(dòng)力及水環(huán)境研究重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。開(kāi)展波流環(huán)境中多孔射流近區(qū)運(yùn)動(dòng)的研究,有助于豐富射流理論,提高對(duì)多孔射流運(yùn)動(dòng)和稀釋規(guī)律的認(rèn)知,為廢水排放工程的環(huán)境效應(yīng)分析提供參考。

陳永平等[11]測(cè)量了波浪環(huán)境中多孔射流的速度場(chǎng)與濃度場(chǎng),認(rèn)為波浪環(huán)境的非恒定性會(huì)有效提高射流的稀釋及擴(kuò)散能力,波高與波周期的增加都會(huì)加速射流軸線(xiàn)速度的衰減。沈小雄等[12]研究了波浪環(huán)境中雙孔射流的壓強(qiáng)分布規(guī)律,認(rèn)為波浪加速了相鄰射流的吸附與摻混,并且隨著波周期的增大,這種加速會(huì)更加明顯,射流合并斷面將會(huì)提前出現(xiàn)。Liu等[13]研究了3種長(zhǎng)波(對(duì)稱(chēng)、反對(duì)稱(chēng)和單側(cè))激勵(lì)模式下的平面射流,認(rèn)為人工激勵(lì)可以有效地加強(qiáng)渦旋結(jié)構(gòu)從射流近場(chǎng)至遠(yuǎn)場(chǎng)的演變。Anghan等[14]認(rèn)為波浪環(huán)境中的射流未來(lái)研究應(yīng)集中在直接的數(shù)值模擬上,考慮到解析完整流場(chǎng)所需計(jì)算量大,則應(yīng)該更多關(guān)注射流近場(chǎng)及部分遠(yuǎn)場(chǎng)。

丁宏偉等[15]的物理實(shí)驗(yàn)表明在波流環(huán)境中雙孔射流的軸線(xiàn)平均垂向速度衰減規(guī)律符合冪函數(shù)關(guān)系。張玉玲等[16]測(cè)量了多孔垂向射流的速度場(chǎng)與濃度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)相比于單孔射流,多孔射流各孔“污染物云團(tuán)”發(fā)生重疊,云團(tuán)更加不明顯?；谏鲜鑫锢韺?shí)驗(yàn),本文采用合成渦方法(synthetic eddy methods,SEM)生成邊界條件,使用大渦模擬(large eddy simulation,LES)搭建合理的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)一步探究波流環(huán)境中多孔射流的三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律和稀釋特性。

1 研究方法

1.1 波流環(huán)境中多孔射流數(shù)學(xué)模型

波流環(huán)境中多孔射流大渦模型控制方程為空間平均的納維-斯托克斯(N-S)方程和濃度標(biāo)量輸運(yùn)方程。模型在垂向上引入σ坐標(biāo)解決自由面追蹤問(wèn)題[17]。控制方程采用算子分裂法求解,對(duì)流項(xiàng)采用二次向后特征線(xiàn)法和Lax-Wendroff格式平均法離散求解,擴(kuò)散項(xiàng)采用時(shí)間向前差分、空間中心差分格式離散求解,泊松方程利用共軛梯度算法求解。

采用考慮波浪影響的時(shí)均水流流速剖面疊加波浪速度分量的方法得到波流水槽入口邊界條件,波流入口波面高度和三維速度分量的具體給定公式參考徐振山等[18-20]的研究;采用零梯度條件加修正的人工海綿層的方法得到出口邊界條件。采用拉格朗日-歐拉法追蹤波浪和水流共存情況下的速度自由表面[21];濃度自由表面邊界采用零梯度邊界條件。底部速度邊界采用可滑移邊界來(lái)預(yù)測(cè)第一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的速度梯度,采用壁面函數(shù)法計(jì)算底部切應(yīng)力;底部濃度邊界采用零梯度邊界條件。側(cè)向邊界處采用不可入邊界條件。模型的初始?jí)簭?qiáng)按照靜壓假定給出,濃度初始值為0,x、y、z方向的速度u、v、w初始值均為0,水流存在時(shí),波流水槽沿水深方向的速度分量按照對(duì)數(shù)分布假定給定。

模型中各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)值均落在合理范圍之內(nèi)。其中紊動(dòng)放大系數(shù)和Smagorinsky常數(shù)對(duì)射流垂向速度衰減程度有較大的影響,分別取為3.0和0.175較為合適;出口平均濃度分布和紊動(dòng)普朗特?cái)?shù)對(duì)射流軸線(xiàn)濃度衰減程度有一定的影響,出口平均濃度分布函數(shù)借鑒出口平均速度分布函數(shù),紊動(dòng)普朗特?cái)?shù)取為1.0。

模型計(jì)算域長(zhǎng)9.0m、寬0.5m、高0.5m,對(duì)垂向坐標(biāo)進(jìn)行σ變換,可以精確捕捉自由表面的變化。采用4套網(wǎng)格對(duì)模型計(jì)算域進(jìn)行劃分(表1),分別命名為G1～G4,網(wǎng)格在x、y、z方向非均勻劃分,并且在射流口及自由表面附近進(jìn)行加密。用以上4套網(wǎng)格模擬靜水環(huán)境中的射流,進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。圖1為4套網(wǎng)格下射流的垂向速度曲線(xiàn)(圖中wc為橫斷面上最大射流流速,w0為射流出口流速,D為射流管徑)。其中G1模擬結(jié)果與其他3套網(wǎng)格差異最大,證明射流口的網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果影響很大。通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果較好的G2～G4,可以發(fā)現(xiàn)射流口范圍外的網(wǎng)格粗細(xì)程度對(duì)模擬結(jié)果影響很小,相比之下G3擬合效果最好且計(jì)算成本較低,所以采用G3網(wǎng)格進(jìn)行模擬(圖2)。第1孔射流布置在距離入流邊界2.0m的位置,阻尼區(qū)長(zhǎng)度占水槽全長(zhǎng)的60%。

圖1 不同網(wǎng)格設(shè)置條件下靜水射流的垂向速度衰減曲線(xiàn)Fig.1 Vertical velocity attenuation curve of static water jet under different grid settings

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid partitioning of computational domains

表1 網(wǎng)格信息Table 1 Grid information

圖3、圖4是模型在波流環(huán)境中的驗(yàn)證結(jié)果(圖中c和c0分別為某位置處的時(shí)均濃度和射流出口濃度),其中前兩個(gè)斷面z/D=5.0、z/D=7.5速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。z/D=10.0斷面因?yàn)椴髋c多孔射流強(qiáng)烈的相互作用,速度、濃度分布有差異,但模擬結(jié)果中速度、濃度分布的展寬和峰值與實(shí)測(cè)值相差不大。此外,模型在靜水、規(guī)則波、橫流等不同環(huán)境中射流的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)吻合均較好,證明了該模型的合理性和準(zhǔn)確性。關(guān)于波流環(huán)境中射流數(shù)學(xué)模型的更多介紹和驗(yàn)證結(jié)果可參見(jiàn)文獻(xiàn)[16,22]。

圖3 波流環(huán)境中不同斷面處時(shí)均速度驗(yàn)證Fig.3 Verification of time average velocity at different sections in wave-current environment

圖4 波流環(huán)境中不同斷面處時(shí)均濃度驗(yàn)證Fig.4 Verification of time average concentration at different sections in wave-current environment

1.2 湍流邊界設(shè)置

湍流射流中脈動(dòng)和混合主要是由大尺度渦引起的。大尺度渦結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的邊界條件及初始條件具有很強(qiáng)的依賴(lài)性,而且與主流的相互作用較強(qiáng)。所以在大渦模擬過(guò)程中合理地給定射流瞬時(shí)紊動(dòng)邊界對(duì)于射流發(fā)展具有非常重要的意義[23]。合成渦方法是指在入流邊界上進(jìn)行渦的疊加合成,每個(gè)渦對(duì)入流邊界各網(wǎng)格點(diǎn)的作用強(qiáng)度都由形狀函數(shù)確定,渦的位置與方向隨機(jī)生成[24-25]。相比其他常用的湍流進(jìn)口給定方法,合成渦方法可以較大程度地避免紊動(dòng)衰減,最為簡(jiǎn)單可行,進(jìn)口發(fā)展段更短,可以得到具有正確統(tǒng)計(jì)特性的湍流,且便于修正和操作。

本文數(shù)值計(jì)算采用合成渦方法生成各向同性的湍流,即令σx=σy=σz,并通過(guò)生成明渠入流邊界算例驗(yàn)證了該方法的可靠性,同時(shí)根據(jù)得到的統(tǒng)計(jì)特性驗(yàn)證了合成渦方法的有效性,最后用合成渦方法生成射流出口邊界,并植入三維大渦數(shù)值波流水槽模型中進(jìn)行射流模擬。

1.3 模擬組次設(shè)置

為研究波流環(huán)境中多孔射流的三維運(yùn)動(dòng)特性以及射流間的相互作用,設(shè)置組次B1～B4;為探究孔間距影響并得到所有組次下最優(yōu)相對(duì)孔間距,設(shè)置組次D1～D4。在所有組次中,射流出口流速均為68.55cm/s,橫流流速均為5.48cm/s。波流環(huán)境中多孔射流計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 波流環(huán)境中多孔射流計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of multiple jets in wave-current environment

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 波流環(huán)境中多孔射流的三維運(yùn)動(dòng)特征

以B4組次為例,選取4個(gè)典型特征相位的瞬時(shí)流場(chǎng)分析多孔射流的運(yùn)動(dòng)特性,其中t=0T、0.25T、0.5T、0.75T(T為波周期)分別表示第1孔射流上方波浪水質(zhì)點(diǎn)處于上跨零點(diǎn)、波峰、下跨零點(diǎn)、波谷相位。圖5為y/D=0斷面流線(xiàn)分布圖,(u2+w2)1/2為斷面橫向和垂向合成速度。

圖5 y/D=0斷面流線(xiàn)分布Fig.5 Streamline distribution diagram of y/D=0 section

a.在t=0T時(shí)刻,波浪水質(zhì)點(diǎn)垂向速度正向最大,射流擁有較大的垂向動(dòng)量。環(huán)境橫流速度的方向和大小與射流差異較大,造成多孔射流迎流面和背流面處剪切層失穩(wěn),產(chǎn)生剪切渦,流線(xiàn)在z/D=10.0附近具有明顯的偏轉(zhuǎn);由于橫流繞流作用,在第4孔射流背流面下游形成了尾渦,流線(xiàn)從底部偏向前方射流。

b.在t=0.25T時(shí)刻,波浪水質(zhì)點(diǎn)橫向速度正向最大,與橫流流速疊加,背景流場(chǎng)中橫向速度在周期內(nèi)達(dá)到最大值,流場(chǎng)與橫流環(huán)境中的射流流場(chǎng)非常相似。射流與橫流速度比相對(duì)較小,橫流繞流作用強(qiáng),射流迎流面和背流面上的剪切渦較為明顯;各孔射流的背流面都可以觀察到樹(shù)葉狀的流線(xiàn),是橫流繞流后殘存水平動(dòng)量與背流區(qū)尾渦平衡的結(jié)果。

c.在t=0.5T時(shí)刻,波浪水質(zhì)點(diǎn)垂向速度負(fù)向最大,射流動(dòng)量被大大削減。射流迎流面附近的流線(xiàn)彎曲程度更大,前3孔射流背流區(qū)流線(xiàn)雜亂。在z/D=8.0高度附近第1孔射流與第2孔射流發(fā)生匯合,產(chǎn)生了較為明顯的渦旋,是由于下行的剪切渦與上行的尾渦相遇,使流線(xiàn)發(fā)生卷曲。

d.在t=0.75T時(shí)刻,波浪水質(zhì)點(diǎn)橫向速度負(fù)向最大,與橫流發(fā)生著強(qiáng)烈的相互作用,射流與環(huán)境流場(chǎng)也發(fā)生劇烈的摻混,流場(chǎng)中流線(xiàn)混亂,渦旋眾多。由于波浪的負(fù)向流速略大于橫流流速,多孔射流均逆流偏轉(zhuǎn);橫流受到波浪和射流的阻礙作用,圍繞第1孔射流形成2個(gè)明顯的馬蹄渦。

圖6為x/D=0(第1孔射流位置處)斷面流線(xiàn)分布圖,(v2+w2)1/2為斷面縱向和垂向合成速度。在t=0T時(shí)刻,射流與環(huán)境流體之間的垂向速度差造成速度斷面失穩(wěn),周?chē)骶€(xiàn)均偏向射流中心;在t=0.25T時(shí)刻,以射流軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)中心,形成腎形反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)(CVP)的雛形,這是橫向紊動(dòng)射流的一個(gè)顯著特征,此時(shí)射流流線(xiàn)順流偏轉(zhuǎn)程度最大,紅色區(qū)域面積較小;在t=0.5T時(shí)刻,波浪對(duì)射流垂向動(dòng)量的削弱,導(dǎo)致CVP分布范圍縮小,但已形成了2個(gè)明顯的渦旋,且渦旋位置有所抬高;在t=0.75T時(shí)刻,CVP分布范圍大大拓展,渦旋中心位置繼續(xù)提升,在CVP下方還分布著大量馬蹄渦。

圖6 x/D=0斷面流線(xiàn)分布Fig.6 Streamline distribution diagram of x/D=0 section

圖7為z/D=20斷面流線(xiàn)分布圖,(u2+v2)1/2為斷面橫向和縱向合成速度。在t=0T時(shí)刻,射流垂向動(dòng)量較大,流場(chǎng)中同時(shí)出現(xiàn)了繞過(guò)射流的馬蹄渦和射流背流區(qū)的尾渦;在t=0.25T時(shí)刻,射流順流偏轉(zhuǎn)程度最大,在z/D=20高度處流場(chǎng)受射流影響較小,流線(xiàn)較為順直;在t=0.5T時(shí)刻,各孔射流上方波浪水質(zhì)點(diǎn)所處相位不同,橫向流速沿程稍有差異;在t=0.75T時(shí)刻,因?yàn)椴鏖g強(qiáng)烈的相互作用,在x/D>15范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)明顯的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)。

圖7 z/D=20斷面流線(xiàn)分布Fig.7 Streamline distribution diagram of z/D=20 section

通過(guò)對(duì)一個(gè)波周期內(nèi)不同斷面、不同特征相位下的瞬時(shí)流線(xiàn)和渦旋結(jié)構(gòu)的分析可知,流場(chǎng)流線(xiàn)和渦旋分布隨波浪水質(zhì)點(diǎn)的周期變化呈現(xiàn)完全不同的景象:在上跨零點(diǎn)相位,流場(chǎng)和射流與橫流速度比較大的橫流流場(chǎng)類(lèi)似;在波峰相位,流場(chǎng)和射流與橫流速度比較小的橫流流場(chǎng)類(lèi)似;在下跨零點(diǎn)相位,射流動(dòng)量明顯被削減,流場(chǎng)中渦旋數(shù)量增多;在波谷相位,流場(chǎng)中的渦旋結(jié)構(gòu)最為豐富,包括因橫流受到射流的阻擋而圍繞射流產(chǎn)生的馬蹄渦、基于環(huán)形剪切層的凱爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性在射流迎流面和背流面上形成的剪切渦、因橫流擾流作用在射流背流面下游形成的尾渦、因橫流擾流作用渦旋斷面由圓形變?yōu)閺澢哪I形渦、因橫流與波浪的相互作用而產(chǎn)生的大尺度強(qiáng)渦旋。射流被環(huán)境流體稀釋的主要因素是射流近區(qū)渦的出現(xiàn)和配對(duì),所以周期性變換的波流流場(chǎng)、大量的渦旋導(dǎo)致射流的紊動(dòng)和擴(kuò)散能力增強(qiáng),這是射流在波流環(huán)境中(相比于單一的水流環(huán)境)垂向速度衰減更顯著、更快速的主要原因。

選取B1～B4組次的時(shí)均流場(chǎng)分析波浪強(qiáng)度對(duì)射流主軸線(xiàn)速度衰減的影響,這4個(gè)組次中射流出口流速與橫流流速均保持不變,射流與波浪速度比Rw即可表征當(dāng)前組次中波浪強(qiáng)度的相對(duì)大小。提取B1～B4組次4孔射流的主軸線(xiàn),計(jì)算主軸線(xiàn)上的三維合成速度,圖8為B4組次4孔射流沿主軸線(xiàn)的速度衰減曲線(xiàn)。

圖8 B4組次4孔射流沿主軸線(xiàn)的速度衰減曲線(xiàn)Fig.8 Velocity attenuation curve of four-hole jets along the main axis in group B4

由圖8可知,第1孔射流速度沿程衰減最快,其次是第4孔射流,因?yàn)樵诓鲃?dòng)力環(huán)境中外側(cè)射流直接與環(huán)境流體作用,其稀釋擴(kuò)散速度較快;第4孔射流速度衰減曲線(xiàn)單調(diào)遞減,其他3孔射流的速度衰減曲線(xiàn)均會(huì)形成一個(gè)明顯的凸起,且上游射流出現(xiàn)凸起的位置均先于下游射流。可以看出第1孔射流流線(xiàn)在速度衰減曲線(xiàn)凸起處(z/D=12附近)形成一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),轉(zhuǎn)折點(diǎn)上游是一段平緩的軌跡線(xiàn),將其稱(chēng)作彎曲平臺(tái),轉(zhuǎn)折點(diǎn)下游第1孔射流逐漸與其他射流匯合。綜上可知,彎曲平臺(tái)及速度衰減曲線(xiàn)中凸起段的形成與下游射流對(duì)上游射流的阻礙作用有關(guān);在經(jīng)歷彎曲平臺(tái)后,射流流線(xiàn)相互匯合;后方射流的阻礙作用使得多孔射流軌跡上速度衰減程度小于單孔射流情況。

對(duì)比不同波況下多孔射流時(shí)均合成速度沿三維軌跡線(xiàn)的衰減曲線(xiàn)(圖9),均遵循波浪強(qiáng)度越大,射流軸線(xiàn)速度衰減越快,即稀釋擴(kuò)散效果越佳的規(guī)律;通過(guò)對(duì)比圖中前3孔的射流流線(xiàn),發(fā)現(xiàn)波浪強(qiáng)度越大,彎曲平臺(tái)越早出現(xiàn),即表明多孔射流更早地發(fā)生匯合,以致匯合位置更低。

圖9 不同波況下多孔射流時(shí)均合成速度沿主軸線(xiàn)衰減曲線(xiàn)Fig.9 Attenuation curve of time-average synthetic velocity of multiple jets along the main axis under different wave conditions

2.2 波流環(huán)境中雙孔射流孔間距對(duì)射流擴(kuò)散的影響

圖10為射流口高度處(z/D=0)斷面上的流線(xiàn)分布。當(dāng)相對(duì)孔間距s/D=2.5時(shí)(s為孔間距),雙孔射流距離比較近,只形成了1個(gè)尺度較大的馬蹄渦;當(dāng)s/D≥5.0時(shí),各組次斷面中雙孔射流附近均出現(xiàn)一大一小2個(gè)馬蹄渦,隨著射流孔間距的增大,第1孔射流附近馬蹄渦的大小基本保持不變,第2孔射流附近馬蹄渦的尺度逐漸增大。

圖10 z/D=0斷面流線(xiàn)分布Fig.10 Streamline distribution diagram of z/D=0 section

圖11為不同相對(duì)孔間距雙孔射流口連線(xiàn)中點(diǎn)處(x/D=0.5)斷面上的流線(xiàn)分布,可以觀察到不同孔間距下都出現(xiàn)了成形的CVP結(jié)構(gòu),但隨著孔間距的增大,CVP結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀略有不同。當(dāng)s/D=2.5時(shí),CVP位置較低,呈扁平橢圓形;隨著孔間距的增大,CVP的形狀逐漸變?yōu)檎龍A形;當(dāng)s/D=10.0時(shí),1對(duì)小尺度渦旋逐漸在大尺度渦旋的正上方形成。綜上可知,在一定范圍內(nèi),孔間距越大,多孔射流流場(chǎng)中渦的數(shù)量和規(guī)模越大,進(jìn)而導(dǎo)致射流與環(huán)境流體之間的相互作用增強(qiáng)。

圖11 雙孔射流連線(xiàn)中點(diǎn)處斷面流線(xiàn)分布Fig.11 Distribution diagram of section streamline at the midpoint of two-hole jet connection

在波峰相位下,流場(chǎng)中較容易觀察到動(dòng)量和濃度較大的“污染物云團(tuán)”,此時(shí)雙孔射流之間的相互作用為明顯。圖12為不同相對(duì)孔間距波峰相位下的雙孔射流平均垂向速度分布。當(dāng)s/D=2.5時(shí),第1孔射流與第2孔射流主體匯合較早,當(dāng)z/D>5.0時(shí),其流動(dòng)特性與波流環(huán)境中單孔射流較為相似;當(dāng)s/D=5.0時(shí),第1孔射流的一部分脫離出射流主體,成為“污染物云團(tuán)”并與第2孔射流左側(cè)分支直接接觸,在z/D=17.0高度處,雙孔射流的“污染物云團(tuán)”之間也直接產(chǎn)生了相互作用;當(dāng)s/D=7.0時(shí),一大一小2個(gè)“污染物云團(tuán)”從雙孔射流主體上脫離,其中從第2孔射流脫離射流主體的右側(cè)分支與第2孔射流的左側(cè)分支產(chǎn)生一定程度的相互作用,此時(shí)雙孔射流均與環(huán)境水體有比較大的接觸面積;當(dāng)s/D=10.0時(shí),從雙孔射流右側(cè)發(fā)展而來(lái)的2個(gè)“污染物云團(tuán)”尺度差異比較明顯,雙孔射流比較充分地暴露在環(huán)境流場(chǎng)中,雙孔射流之間只發(fā)生了少許相互作用。由此可見(jiàn),孔間距的改變會(huì)對(duì)雙孔射流的形態(tài)產(chǎn)生影響,從直接相互作用的角度來(lái)看,孔間距的增大推遲了雙孔射流的匯合,從間接相互作用的角度來(lái)看,孔間距的增大削弱了前方射流對(duì)后方射流的遮掩作用,同樣也削弱了后方射流對(duì)前方射流的阻擋作用。

圖12 波峰相位下雙孔射流平均垂向速度分布Fig.12 Average vertical velocity distribution of double-hole jet under wave crest phase

圖13為不同相對(duì)孔間距垂向速度沿主軸線(xiàn)的衰減曲線(xiàn),可以定量分析射流間相互作用對(duì)其運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散特性的影響。從第1孔和第2孔的速度衰減曲線(xiàn)中發(fā)現(xiàn),孔間距與擴(kuò)散效果并非正相關(guān),射流與射流之間的相互作用也會(huì)加速擴(kuò)散過(guò)程。當(dāng)s/D=7.0時(shí),垂向速度衰減最快,雙孔射流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散效果最佳。

圖13 雙孔射流垂向速度沿主軸線(xiàn)的衰減曲線(xiàn)Fig.13 Attenuation curve of vertical velocity of double-hole jet along the main axis

綜上可知,射流與環(huán)境水體、射流與射流之間的相互作用都能夠加速射流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程。隨著孔間距的增大,雙孔射流之間的相互作用慢慢削弱,而射流與環(huán)境水體之間的相互作用卻在慢慢增強(qiáng),在本文試驗(yàn)組次設(shè)置下,s/D=7.0為最優(yōu)相對(duì)孔間距,在此設(shè)置下,出現(xiàn)了雙孔射流之間、射流與環(huán)境流體之間同時(shí)發(fā)生較充分摻混的情況。

3 結(jié) 論

a.在波谷相位時(shí)刻,由于橫流與波浪相互作用強(qiáng)烈,流場(chǎng)內(nèi)的三維渦旋結(jié)構(gòu)豐富、尺度較大、數(shù)目眾多,有利于射流與環(huán)境水體、射流與射流之間的摻混,這是波流環(huán)境比單一橫流環(huán)境中多孔射流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散效果更佳的主要原因。

b.波浪強(qiáng)度越大,射流軸線(xiàn)速度衰減越快,稀釋擴(kuò)散效果越佳;波浪強(qiáng)度越大,彎曲平臺(tái)越早出現(xiàn),匯合位置更低,多孔射流更早地發(fā)生匯合。

c.孔間距的改變會(huì)對(duì)雙孔射流的形態(tài)產(chǎn)生影響,從直接相互作用的角度來(lái)看,孔間距的增大推遲了雙孔射流的匯合;從間接相互作用的角度來(lái)看,孔間距的增大削弱了前方射流對(duì)后方射流的遮掩作用,同樣也削弱了后方射流對(duì)前方射流的阻擋作用。

d.隨著孔間距的增大,雙孔射流之間的相互作用慢慢削弱,而射流與環(huán)境水體之間的相互作用卻在不斷增強(qiáng)。在本文試驗(yàn)組次設(shè)置下,最優(yōu)相對(duì)孔間距為7.0。