（工程热物理专业论文）气固两相平面湍流射流的直接数值模拟.pdf

摘要 自由剪切流是一种典型的包含转捩和湍流的流动现象，而平面射流是一种比平面混合层 复杂的自由剪切流。迄今为止，关于圆射流和矩形射流的研究较多，但平面射流的数值成果， 尤其是对湍流研究具有指导意义的d n s 数据，仍相对较少。据作者所知，本文是国内较先 开展的关于气固两相平面湍流射流的d n s 研究。 本文的求解对象为有弱可压缩性的流场控制方程组，并采用单向耦合的方法模拟各种典 型尺寸的颗粒在射流流场率的扩散行为和浓度分布规律。d n s 的数值方法基手有限差分法。 文中采用具有高分辨率的4 阶精度的紧致差分格式离散空间导数，同时，时间步进采用低存 储量要求的4 阶显式r u n g e k u t t a 格式。非物理的出口区( p m l 缓冲区) 方法结合t h o m p s o n 无反射边界条件被用于边界条件的设置。入口边界采用特征入流边界条件。并在出口边界作 压力修正。数值结果揭示出的细致的流动结构证实该套数值方法是切实可行的。 文中首先用d n s 方法模拟了二维弱剪切自由射流中随时问发展的流场结构及典型尺寸 的颗粒在流场中的运动规律。计算结果得到了以完全对称模式发展的涡量场，同时精确地捕 捉到了展向涡的卷起、两涡配对及在弱剪切自由射流中出现的特殊的三涡合并现象。从现象 上看，三涡合并是两次两涡配对的线性叠加。两涡配对后的涡廛厚度为单个展向涡核的2 倍，三涡合并后近似为单个涡核的3 倍。在统计结果中，平均纵向速度u 与实验值较好地 吻合，u 在下游x h = 1 i5 处达到自相似状态。雷诺应力分布有很大的特殊性，即轴线的横向 应力v j 被强烈地抑制，而纵向应力、“j 却有不断变大的趋势，这是由于特殊的对称涡登 场结构引起的。 本文的第二部分为二维气固两相强剪切平面湍流射流的d n s 研究。由于两剪切层的对 称性在下游x h = 6 ，0 处即被破坏，之后涡街完全按非对称模式发展。典型的拟序大涡结构包 括单个的展向大涡、有相同符号的两涡组成的配对涡( 与弱剪切射流中类似) 及由符号相反 的两涡组成的涡对组合。一阶平均量均与实验及前人的计算结果符合得很好。u 达到自相似 状态的起始点与涡街的对称性被破坏的起始点是几乎重合的，即在x h = 6 0 处。平均速度v 发展到自相似状态的过程要缓慢得多。本文中，约至x h = 1 1 5 处，可认为v 已有自相似性。 射流半宽a ，与流向坐标x 的线性关系及轴线速度平方倒数的线性增长率均与实验中得到的 线性规律吻合，区别仅在式中的截距值。由于各种实验及计算工况下的不可测因素，存在这 种差别是正常的。霄诺应力分布的峰值量级和曲线性态与实验数据是一致的，但由于缺少展 向应力r 嚣对湍流能量的分流，r 量和r 等均积蓄了较多的能量，峰值较大。 在上述两手孛流场中，相同尺寸的颗粒在其中的扩散行为是类似的。s t = 0 0 1 的颗粒惯性 小，完全受涡结构的控制，因此可视为示踪粒子，再现了下游流场中各种大涡结构。s t = 0 1 的颗粒行为介于s t = 0 0 1 和l 之间，没有鲜明的自身特征。s t = l 的颗粒表现出有趣的自组织 性，即有规律地散步在单个大涡的涡核外围，同时有少量颡粒几乎按直线排列在配对涡涡核 的内部，并且在中心两侧颗粒的膀时滑移速度大小相等，方向相反，并且颗粒排列所成的 直线滞后于实际的两配对涡边界。作者认为这是由于两涡交界处的涡量作用引起的，滞后角 由颗粒的动力响应性质决定。s t = 1 0 和1 0 0 的颗粒可视为大尺寸颗粒，由于惯性较大，因此 受拟序大涡结构的影响较小。 在两种流场中，s t = l 的颗粒的网格均方根颗粒数n r m s 均为最大，这也证实了该种尺寸 的颗粒在流场中的扩散范围最大，浓度分布最不均匀。并且，不同于弱剪切射流的是，在强 剪切射流中n r m s ( s t = 0 1 ) 的值比其它尺寸颗粒的n r m s 值大很多【= 2 x n r m s ( s t = 0 0 1 ) ， = 3 n r m s ( s t = 1 0 ) 】，作者认为这是由于所有的颗粒均已参与到涡结构的发展中。丽在弱 剪切射流中，始终有部分颗粒在轴线附近以直线行进的方式通过计算区域，影晌了n r i n s 的 统计结果。因此。作者认为强剪切射流e p 的n r m s 值更有参考价值。颗粒的瞬时滑移速度( v r ) 场清晰地揭示出上述各种颗粒在流场中的特殊行为，不失为一种研究颗粒的瞬时扩散性态和 运动趋势的很好的定量指标。 a b s t r a c t t h ef r e es h e a rl a y e ri sat y p i c a lf l o wp h e n o m e n o nw h i c hi n c l u d e st r a n s i t i o na n d t u r b u l e n c e t h ep l a n e j e ti sat y p eo f f r e es h e a rf l o wm o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h ep l a n e m i x i n gl a y e r u p t o n o w , s t u d i e sa b o u t r o u n da n dr e c t a n g u l a rj e t sa r e p r o l i f i c h o w e v e r , n u m e r i c a ls t u d i e s o fp l a n ej e t s ，e s p e c i a l l yt h e d n s ( d i r e c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ) d a t aw h i c h b e a r p r o f o u n ds i g n i f i c a n c e s o i lt u r b u l e n c e r e s e a r c h ，a r e c o n s i d e r a b l yf e w t ot h ea u t h o r sk n o w l e d g e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni s ar a t h e re a r l ys t u d y o fd n so n g a s s o l i dt w o p h a s ep l a n e t u r b u l e n t j e t si nm a i n l a n d t h es o l v i n go b j e c ti sas e to fg o v e r n i n ge q u a t i o n so ff lf l o wf i e l dw i t hw e a k c o m p r e s s i b i l i t y w ea l s os i m u l a t et h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d o fs o l i d p a n i c l e s o fv a r i o u st y p i c a ls i z e si nt h ej e tf i e l dw i t ho n e w a y c o u p l i n g m e t h o d t h en u m e r i c a ls c h e m e so fd n sa r eb a s e do nf i n i t ed i f i e f e n c em e t h o d s 1 、h e f o u r t h o r d e rc o m p a c td i f f e r e n c es c h e m e sw i t h h i g h r e s o l u t i o na r e a p p l i e dt od i s c r e t i z e t h es p a c ed e r i v a t i v e s ，a n da l o w - s t o r a g ef o u r t h o r d e re x p l i c i tr u n g e - k u t t as c h e m ei s u s e di nt i m em a r c h i n g k v er i s en o n - p h y s i c a le x i tz o n e s ( p m lb u f f e rz o n e s ) t o g e t h e r w i t ht h o m p s o n sn o n r e f l e c t i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n st f ) s e tt h eb o u n d a r ys c h e m e s t h ec h a r a c t e r i s t i ci n f l o wb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r eu s e da tt h ei n f l o wb o u n d a r y , w e a l s os e tt h ep r e s s u r ec o r r e c t i o nt e r ma tt h eo u t f l o wb o u n d a r y t h ed e t a i l e df l o w s t r u c t u r e su n c o v e r e di nt h en u m e r i c a lr e s u l t sh a v ep r o v e nt h ev a l i d i t yo ft h ea b o v e d e s i g n e d n u m e r i c a lm e t h o d si nd n so ff r e ej e t s f i r s t ，w e s i m u l a t et h e t i m e e v o l v i n g f l o ws t r u c t u r e si nt o w - d i m e n s i o n a l w e a k s h e a r i n gf r e ej e t sa n dt h ed i s p e r s i o nr o l e so fp a r t i c l e so ft y p i c a ls i z e si nt h i s f i e l d t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s e x p o s eav o r t i c i t y f i e l dw i maf u l l y s y m m e t r i c a l m o d ea b o u tt h ej e t c e n t e r l i n e ，i n w h i c hw ec a p t u r ep r e c i s e l yt h e r o l l i n g u p o f s p a n w i s ev o r t e x e s ，t h ep a i r i n go ft w ov o r t e x e s ，a n dt h es p e c i a lm i x i n gp r o g r e s so f t h r e ev o r t e x e s a p p e a r i n gi n t h ew e a k s h e a r i n gf r e ej e t s i fj u s tj u d g i n gf r o mt h e p h e n o m e n a ，w ec a nd i v i d el i n e a r l yt h r e ev o r t e x e s m i x i n gi n t ot w oc o n s e c u t i v et w o v o r t e x e s p a i r i n g t h ev o r t e xt h i c k n e s s a f t e rt w o v o r t e x e s p a i r i n gi st w o t i m e so f t h a t o fas i n g l ev o r t e xk e r n e l ，a n de x t e n d st ot h r e et i m eo fo n ev o r t e x st h i c k n e s sa f t e r t h r e ev o r t e x e sm i x i nt h es t a t i s t i c a l r e s u l t s ，t h e m e a nl o n g i t u d i n a l v e l o c i t y u c o m p a r e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ud o e s n o tr e a c ht h es e l f - s i n f i l a rs t a t eu n t i l x h 2 11 5 t h em e a np r o f i l e so f r e y n o l d ss t r e s s e sb e a rp r o d i g i o u ss p e c i a l t y , i e t h e l a t e r a lf l u c t u a t i o n sa tt h ec e n t e r i i n ea r ei n h i b i t e ds t r o n g l ya n dt h el o n g i t u d i n a lo n e s h a v et h e t e n d e n c y o fg r o w i n g c o n t i n u o u s l y ，w h i c h i si n d u c e d b y t h e s p e c i a l s y m m e t r i c a lv o r t i c i t yf i e l d t h es e c o n d p a r t o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h ed n ss t u d yo fat w o d i m e n s i o n a l g a s - s o l i dt w o p h a s es t r o n g - s h e a r i n gp l a n et u r b u l e n tj e t b e c a u s et h es y m m e t r i c a l m o d eo ft w of l e es h e a rl a y e r si nt h ej e ti s d e s t r o y e da tx h = 6 0 ，t h ev o r t e xs t r e e t d e v e l o p si nn o n - s y m m e t r i c a l ( s i n u o u s ) m o d e sd o w n s t r e a mo f t h i ss t a t i o n t h et y p i c a l c o h e r e n tl a r g es c a l es t r u c t u r e si n c l u d et h es i n g l es p a n w i s ev o r t e x ，t h ep a i r i n gv o r t e x e s w i t hs a m es i g n s ，w h i c ha r es i m i l a rt ot h es t r u c t u r e si nt h ew e a k s h e a r i n g j e t ，a n dt h e v o r t e xp a i r c o m p o s e do ft w ov o r t e x e s w i t h o p p o s i t es i g n s t h em e a nv e l o c i t i e s c o m p a r er a t h e r w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a lr e s u l t so f p r e d e c e s s o r s t h e s t a r i n gp o i n t so fue x h i b i t i n gs e l f - s i m i l a r i t ya n dt h es y m m e t r i c a lm o d eo ft h ev o r t e x s t r e e tb e i n gd e s t r o y e da l m o s to v e r l a p ，b o t ha tx h = 6 0 t h em e a nl a t e r a lv e l o c i t yv n e e d sm u c hl o n g e rs t r e a m w i s ej o u m e yt or e a c hi t ss e l f - s i m i l a rs t a t e i nt h i s p a p e r , a b o u ta tt h ed o w n s t r e a ml o c a t i o no fx h 2 11 5 ，w ec a l ld e e mt h a tvh a v eg o tt ot h e s e l f - s i m i l a rs t a t e b o t ht h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e j e th a l f - w i d t h4 ，a n d t h e s t r e a m w i s ec o o r d i n a t exa n dt h ep r e d i c t e di n v e r s e - s q u a r e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m e a nc e n t e r l i n ev e l o c i t ye x c e s sa n dxc o m p a r ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ed i f f e r e n c e so n l ye x i s ti nt h ev i r t u a lo r i g i nv a l u e s ，w h i c hi sr e a s o n a b l ed u et ot h e u n p r e d i c t a b l ef a c t o r s i nv a r i o u s n u m e r i c a 1 a n de x p e r i m e n t a ls i t u a t i o n s t h e p e a k m a g n i t u d e sa n dc h a r a c t e r i s t i co f c u r v e so f r e y n o l d ss t r e s s e sa r et h es a m ea st h o s ei n e x p e r i m e n t s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fb y p a s se f f e c t so ft h es p a n w i s e c o m p o n e n tr 船，b o t hr 野a n dr 警s t o r em o r et u r b u l e n te n e r g i e s ，a n dh a v eb i g g e r p e a kv a l u e s i nb o t ho ft h ea b o v ef l o w f i e l d s ，p a r t i c l e si ns a m e s i z e se x h i b i ts i m i l a rd i s p e r s i o n b e h a v i o r s t h ei n e r t i ao fp a r t i c l e sw h o s es t 。0 01i s s m a l l ，s ot h e ya r ec o m p l e t e l y c o n t r o l l e d b yt h el a r g e v o r t e x e sa n d r e p r o d u c e a l lk i n d so f l a r g e s c a l ev o r t e x s t r u c t u r e si nt h ed o w n s t r e a mr e g i o n ，p a r t i c l e so fs t = o 1d on o th a v et h e i ro w n v i v i d d i s p e r s i o nr u l e sa n de x h i b i ts p r e a d i n gb e h a v i o r so fp a r t i c l e so fb o t hs t = o 0 1a n d1 p a r t i c l e sw h o s es t 2 1 p r e s e n t a n i n t e r e s t i n gs e l f - o r g a n i z e dp r o p e r t y t h e ys p r e a d u n i f o r m l yo u t s i d et h es i n g l el a r g ev o r t e xk e r n e l ，a n daf e wo ft h e ma r r a n g ea l m o s ti n a s t r a i g h t l i n ei nt h ei n t e r i o r r e g i o no ft h ep a i r i n gv o r t e x e s f u r t h e r m o r e ，a tt h e o p p o s i t es i d e so f t h ef o c u s ，t h em a g n i t u d e so fi n s t a n t a n e o u sr e l a t i v ev e l o c i t i e st ot h e g a sp h a s eo f p a r t i c l e sa r ea l m o s ts a m e ，b u tt h e i rd i r e c t i o n sa r eo p p o s i t e ，a n dt h ea b o v e l i n el a g sb e h i n dt h ea c t u a lb o r d e ro ft h et w ov o r t e x e si np a i r i n g t h ea u t h o r a t t r i b u t e s t h i sp h e n o m e n o nt ot h ee f f e c t so f v o r t i c i t ya tt h e v o r t e xb o r d e ga n d s p e c u l a t e s t h a tt h e l a ga n g l ei sd e t e r m i n e db y t h ed y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r so f t h ep a r t i c l e s p a r t i c l e s o fs t = l oa n d1 0 0c a nb et r e a t e da s “l a r g e ”o n e s b e c a u s eo fl a r g ei n e r t i a ，t h e yw e r e l e s si n f l u e n c e db yt h el a r g es c a l es t r u c t u r e s i nt h et w of l o wf i e l d s t h eg r i dr m sp a r t i c l en u m b e r s n r m s o f p a r t i c l e sw h o s e s t - - ia r ea l w a y st h eb i g g e s t ，w h i c hp r o v e sp a r t i c l e si ns u c hs i z e sh a v et h eb i g g e s t d i s p e r s i o na r e aa n df o r mt h em o s tn o n u n i f o r mc o n c e n t r a t i o nf i e l d f u r t h e r m o r e ，i n s t r o n g s h e a r i n gj e t s ，n r m s ( s t = 1 ) i sm u c hb i g g e rt h a nt h en r m s v a l u e so f p a r t i c l e si n o t h e rs i z e s = 2 + n r m s ( s t = 0 o i ) ，= 3 + n r m s ( s t = 1 0 ) ，f o ra l lt h ep a r t i c l e sh a v et a k e np a r t i nt h ed e v e l o p m e n to fv o r t e xs t r u c t u r e s ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h es i t u a t i o ni nt h e w e a k s h e a r i n gj e t s ，i nw h i c h t h e r ea l w a y se x i s ts o m ep a r t i c l e sp a s s i n gt h r o u g ht h e c o m p u t a t i o n a ld o m a i na l m o s ti ns t r a i g h tl i n em o d e sn e a rt h ej e tc e n t e r l i n e ，w h i c h i n f l u e n c et h es t a t i s t i c a lr e s u l t so fn r m s s o ，t h ea u t h o rr e c o m m e n d st h en r m sv a l u e s i n s t r o n g s h e a r i n gj e t s f o rt h e i rr e a s o n a b l er e f e r e n c e t h ei n s t a n t a n e o u sr e l a t i v e v e l o c i t i e st ot h eg a sp h a s eo f p a r t i c l e s ( v r ) e x p o s ec l e a r l y t h es p e c i a lb e h a v i o r so ft h e a b o v ev a r i o u s p a r t i c l e s i nt h ef l o wf i e l d ，s oi tc a r lb et r e a t e da sa v e r yg o o d q u a n t i t a t i v eg u i d e l i n et os t u d y t h ei n s t a n t a n e o u sd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n1m o v i n g t e n d e n c yo f p a r t i c l e s 独创性声明 y 5 3 1 4 7 9 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 哗燃弥秀气岁柳期：砂口垆c f 月厂日 致谢 致谢 首先，作者要诚挚地感谢女友杨宁平小姐三年多来一贯的支持和鼓励。正是 由于她快乐无邪的秉性，使作者有勇气和信心完成每一件事，并将尽最大努力使 她更加幸福、快乐。 本文是在导师樊建人教授和岑可法院士悉心指导下完成的。樊教授的渊博学 识和岑院士的运筹帷幄能力将成为作者一生认真学习的榜样。在此，作者向他们 表示最崇高的敬意和最真挚的感谢，祝愿他们身体健康、万事如意。 本文的工作得到了u c s d 的s c o t ta s t a n l e y 博士的大力帮助，使作者真 正感受到“科学无国界”的伟大，及有识之士的慷慨和睿智。另外，p u r d u e 大学 的w e iz h a o 博士和张肇剡博士为作者提供了m p i 的信息，使作者有机会深入 认识和了解当前c f d 工作的主要前沿信息。同时，w e iz h a o 博士在边界条件 的设置上给予了重要意见，在此一并表示诚挚的谢意。k y u s h ui n s t i t u t eo ft e c h 的p r o f s y u u 、o l dd o m i n i o nu n i v 的p r o f f a n gq h u 和u c l a 的p r o f jb f r e u n d 为作者寄送了相关的文献资料，在此表示感谢。北京高性能计算中o 的莫则尧老师为作者提供了a z t e c 库的信息；北京大学的王云硕士和陈捷同学在 工作开展的初期给予了很多指导性的意见；浙江大学计算机科学系的顾寅红硕士 和宣江华同学在计算机硬软件上给予了很大帮助。作者在此向上述各位老师和同 学表示诚挚的谢意。 同时要感谢陈丽华博士，钱力庚博士、郑友取博士、姚军博士、金晗辉博士 夏镇海博士、查旭东博士和胡桂林、李文春、刘兰、稽峰、倪建民、由广大，王 康健、刘永江、罗坤等同学平时在学习和生活上的帮助，使作者在热能所计算组 渡过了将近四年充实和愉快的光阴。特别要感谢胡桂林同学和金晗辉博士在颗粒 模拟程序上的帮助，及金晗辉博士为作者热心解答的很多关于流体力学的疑难问 题。祝愿李丈春和王康健同学在射流d n s 的后续工作中取得巨大的成功! 衷心 祝愿作者的每一位朋友前程似锦! 作者的求学之路即将暂告一段落，值此之际，作者最想感谢的是父母将近三 十年来无微不至的关怀和永不停止的鼓励。每每看到他们渐白的鬓发和期盼的眼 神，心中总存惭愧和不安。但请相信，不肖儿一定会在将来的学习和工作中取得 成功，希望能给你们带来些许的安慰。谢谢您们，爸爸妈妈! “万般皆下品，唯有读书高”这是爸爸在1 5 年前跟我说过的话，现在我已 经深刻体会到它的精确含义。最后，祝我好运! 夏钧 2 0 0 2 年1 1 月于求是固 第一章绪论及文献综述 由于自由剪切流动在很多工业应用场合中出现，例如发动机内的燃油喷射、推进系统、 环境流动等等，因此为了掌握它们在这些系统中对整个动力过程的影响，如燃烧效率，彻底 地了解自由剪切流的动力学规律显得格外重要。湍流平面射流是与平面混合层和圆形射流同 属一类的典型的自由湍流剪切流动。但是，平面射流是由于相反方向涡的剪切作用造成的， 因此它有混合层和圆射流所没有的流动特征。作为一种基本的自由湍流剪切流动，针对平面 射流的流动结构及发展过程的基础研究会对湍流流动特征的全面了解作出很大的贡献。 在平面湍流射流中，仍有很多问题需要作进一步的研究。例如大尺度及小尺度结构的 发展情况、它们的相互作用、外界作用力的影响等等是当前针对射流的主要研究课题。同时， 人们对初始的剪切层模式到下游的射流柱状模式的发展过程也很有兴趣。除了下游的充分发 展的自相似区域是基本的研究领域之外，由于工程上的原因，大尺度结构在平面射流的近喷 口区的结构重组、以及随后对头1 0 2 0 个射流宽度的湍流及混合的发展过程的影晌也是重要 的研究课题。许多实际问题，例如燃烧系统的混合过程、推进系统中的噪声产生等等，都与 射流近喷口区的流场发展过程紧密地联系在一起。 本文利用直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 对二维平面射流的流场作 了研究，同时用单向耦合法跟踪各种尺寸的颗粒，研究其在流场中的扩散性质。在一般的数 值方法中，如r a n s 和l e s ，总是引入小尺度湍流的模型，d n s 去除了这种不确定性。d n s 已被应用于流向均匀的自由湍流剪切流动中，即时间模式法。相对而言，主要由于计算量的 关系，空间模式下湍流流动的d n s 较少一些。 本章分5 小节论述。首先综述了湍流平面射流的研究史，其次总结了针对湍流射流的数 值研究。第3 小节介绍研究两相流动的数值方法。d n s ，作为一种发展才2 0 年的新兴数值 方法，已被公认为研究湍流的最重要的工具之一。第4 小节主要介绍d n s 的发展简史、与 数值实现相关的重要主题以及d n s 对湍流研究作出的巨大贡献。最后，简述了本文的研究 内容。 【j l 有芙率面射琉宾验研究的昆结 迄今为止，已开展7 很多关于平面湍流射流的实验研究。早期，a l b e r t s o n ( 1 9 5 0 ) 等在 淹没射流的研究中，完成了平面及圆形湍流射流中平均速度分布的测量。在淹没射流中，由 于射流边界产生的湍流的直接作用，射流内部的流体出现横向扩散及减速，同时卷吸周围区 域的流体，使之开始运动。a l b e r t s o n 得到了代表平均流动大致特征的分析解并由实验数 据证实。同时实验结果为分析解提供了必要的系数。 随着热线风速仪的出现，之后的研究不仅能定量地得到平均流场的统计结果，并且能测 量脉动场。m i l l e r & c o m i n g s ( 1 9 5 7 ) 测量了平均速度场和压力场，及头4 0 个射流宽度内的 雷诺应力。在此轴向范围内，他们能够得到自相似的平均分布，但雷诺应力仍未达到自相似 状态。之后，b r a d b u r y ( 1 9 6 5 ) 、h e s k e s t a d ( 1 9 6 5 ) 、g u t m a r k & w y g n a n s k i ( 1 9 7 6 ) 利用热 线风速仪测量了平面射流自相似区域的平均分布及雷诺应力分布。在这些实验中，研究者发 现脉动速度场的发展、射流扩张率及轴线速度的衰减与喷嘴处的初始条件及实验室的外部条 件紧密地联系在一起。b r a d b u r y 研究了在缓慢运动的平行空气流中的自相似湍流平面射流的 流动结构，并与自相似平面尾迹作了对比。实验结果表明，在射流出口下游的3 0 个射流宽 度处开始出现自相似性。在射流的自相似区域内，湍流强度和横向剪应力的分布与平面尾迹 的结果非常类似。但是，间歇性因子的分布更接近于轴对称射流的结果。同时，湍能平衡也 与尾迹流刍勺结果有很大的不同。h e s k e s t a d 在射流下游的充分远处测量了间歇性及用于计算 湍动能平衡的数据发现有近似的自相似特征。同时测量了射流出口速度对轴线湍流强度的 发展及在下游某一固定位置处轴线上的横向速度变化率的影响。g u t m a r k & w y g n a n s k i 得到 了平面不可压缩射流中直至x h = t 2 0 的测量结果，包括平均速度、湍流强度。3 阶量与4 盼量、两点关联及闯歇性因子。他们发现在x h 4 0 的区域内有自相似性。 e v e r i t t & r o b i n s ( 1 9 7 8 ) 、b r a d b u r y r i l e y ( 1 9 6 7 ) 及l a r u e 等( 1 9 9 7 ) 的研究表明强 伴随流的加入能减缓射流发展到自相似状态的过程。e v e r i t t r o b i n s 研究了湍流平面射流 在静止空气和运动流中的流动结构和发展过程。虽然在静止空气中，射流的关联性测量结果 显示存在一个大穴度结构可以用“局部拍打” t o t a lf l a p p i n g ) 描述，但运动流率射流豹测量 结果并没有得到类似的结构。e v e r i t t 得到了运动平行流中射流的湍流结构的发展过程，并认 为湍流射流和尾迹的特性可由一个变涡粘度公式及运动方程的自相似特性描述。 随着湍流浮力射流逐渐应用到工程实践中。如烟囱及电厂的冷却水排放等等，人们对平 面射流中浮力及络传导的效果产生了浓厚的兴趣。b a s h i r & u b e r o i ( 1 9 7 5 ) 、k o t s o v i n o s ( 1 9 7 7 ) 及k o t s o v i n o s l i s t ( 1 9 7 7 ) 研究了强加热射流中浮力及热传导的效果。b a s h i r u b e r o i 测 量了横向的温度脉动平衡、湍流速度和温度谱及它们与射流雷诺数及测量位置的关系。 k d i s o v i n o s 研究了在密度相同及几乎静止的周围流体中，平面垂直浮力羽流的转捩过程的湍 流结构。通过湍流靛量方程的分析揭示出，相对于由于剪应力产生的湍能，浮力产生的湍能 随着射流r i c h a r d s o n 数的增长而增长，并在羽状浮力射流中成为常数。由此，k o t s o v i n o s 检 查了一系列初始r i c h a r d s o n 数，从射流状流动( 很接近o ) 到羽状流动( 大约0 6 ) ，对湍流 结构的影响，并得出温度与速度的脉动强度随着r i c h a r d s o n 数的增长而增长。羽状流动中 观察到的大尺度涡可对这一趋势作出解释。k o t s o v i n o s l i s t 重新检查了前人关于湍流射流 分析的整体方法，并尝试改进卷吸的描述。他们认为前人关于卷吸系数是射流r i c h a r d s o n 数的线性函数的假设是合理的，同时由经验确定的两个羽流系数足以描述浮力射流到羽流的 转捩。他们在大量的有不同初始r i c h a r d s o n 数的平面湍流浮力射流的实验中。记录了时均 速度和温度分布。以证实上述结论。另外，一系列浮力射流中平均示踪流量的测量结果显示 其中有4 0 之多为湍流通量。 j e n k i n s & g o l d s c h m i d t ( 1 9 7 3 ) 、d a v i e s ，k e f f e r b a i n e s ( 1 9 7 5 ) 及b r o w n e 等( 1 9 8 3 ) 研究了中度加热射流中温度场的混合。j e n k i n s g o l d s c h m i d ! 碍出了对于平面射流，热流输 运与动量输运的比率约为1 4 2 ，而在加热圆形射流中略小一些。约为1 2 2 。前人在离散颗粒 的输运实验中已注意到这个事实，并将此归结于与流场区域形状可能有关的输运系数。 d a v i e s 等用条件采样技术( c o n d i t i o n a ls a m p l i n gt e c h n i q u e s ) 研究了二维加热湍流射流的流场， 目的是得到温度场和速度场扩散的具体数据。实验结果证实了茵人的结论。即按传统意义上 测量的平均温度分布比平均速度分布宽。但如果只考虑湍流则两者的扩散规律是一致的。 通常，早期针对平面射流的工作主要集中在流场中统计燕的研究。但是，由于人们对射 2 流中大尺度结构的运动情况存在浓厚的兴趣，因此关联量豹测量也逐渐被重视起来。 g o l d s c h m i d t & b r a d s h a w ( 1 9 7 3 ) 测量了在亚音速平面射流中的横向关联量，结果显示其在 时间上有准周期性质，即射流的“拍打”：同时纵向速度有无滞后的负关联，而在g u t m a r k w y g n a n s k i ( 1 9 7 6 ) 与e v e r i t t r o b i n s ( 1 9 7 8 ) 的实验中，对于有较大的测量间隔的情况， 横穿射流的纵向速度的自关联系数分布显示出倒耳垂形( n e g a t i v el o b e s ) 。这些测量结果最 初被解释为在射流的自相似区域内存在大尺度的“拍打”运动。 之后。c e r v a n t e s & g o l d s c h m i d t ( 1 9 8 1 ) 在湍流平面射流的自相似区域内测量了4 种类 型的关联量，得出在射流的轴线两侧存在负关联，揭示了一种显然的类似拍打的运动。由于 发现拍打频率由射流自相