（环境工程专业论文）同流环境中多孔热水紊动浮射流特性数值模拟研究.pdf

摘要 论文题目：同流环境中多孔热水紊动浮射流特性数值模拟研究 学科专业：环境工程 研究生：邵磊 指导教师：王颖副教授 周孝德教授 摘要 签名： 签名： 签名： 各种热电、核电厂排出的热污( 废) 水在直接进入环境流体之前，以孔口浮射流的形 式释放污水并确保污水在排污口快速混合非常重要。因此，精确的了解和预测浮射流的特 性与混合状况有很重要的意义，而用数值模拟的方法来全面研究环境流体中射流的混合过 程则是一个重要的技术手段。 在回顾射流的理论，并对目前的各种紊流数值方法进行了讨论分析的基础上，本文有 针对性的研究了在同向流动环境中使用多孔扩散器进行热废水排放的情况，对其近区的流 场和温度场特性进行了数值模拟，分别利用f l u e n t 软件中的r n g k g 模型和雷诺应力r m s 紊流模型，并用有限体积法和s i m p l e 法进行模型方程的求解，得到了不同流速比和不同 射流温度下的流场和温度场；浮射流的轨迹线；轴线上温度和速度的衰减规律；浮力对射 流轨迹线的影响，并对多孔热水浮射流中对流态具有重要影响的流速比和孔间间距进行了 探讨，分别计算了不同流速比情况下的不同孔间间距的流速分布和温度分布，得到了一些 很有价值的射流规律和结论。 本文利用多种数学模型对复杂的三维流场进行了数值模拟，为课题后期的实验研究提 供了参考对照的依据，对研究各种热、核电厂热污( 废) 水排入环境水体有一定的实用价 值，并能为冷却水工程提供理论分析依据。最后对所做的工作和成果进行了总结，指出了 论文的不足；并对下一步的工作做出了展望。 关键词：同流；多孔；热水浮射流；孔间距；数值模拟； 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 生料 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nm u l t i p o r tb u o y a n tj e to ft h e r m a l 、 ，a t e ri nc o f l o w i n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l e is h a o 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 s u p e r v i s o r ：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 ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： & s f l f a d 掣留 下广_ ( j b e f o r et h et h e r m a lw a s t e w a t e ro ft h et h e r m a la n dn u c l e a rp o w e rp l a n t si n t r u d e si n t ot h e e n v i r o n m e n t a lw a t e r , i ti si m p o r t a n tt oe n s u r et h a th i g hi n i t i a lm i x i n gi sa c h i e v e di nt h ev i c i n i t y o ft h ed i s c h a r g es t r u c t u r eb yr e l e a s i n gt h ec o n t a m i n a t e df l u i dt h r o u g ho r i f i c e sa n di nt h ef o r m o fb u o y a n tj e t s t h e r e f o r e ，a c c u r a t eu n d e r s t a n d i n ga n dp r e d i c t i o n so ft h eb e h a v i o u ro fa b u o y a n tj e ta n di t sm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s i r e d i nt h i sr e s e a r c h ，j e tt h e o r i e sw e r er e v i e w e dd i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gt e c h n o l o g i e s o ft u r b u l e n tf l o ww e r ea n a l y z e da n dv a l u e d ，a n dt h e nit o o kt h en u m e r i c a lm o d e lr e s e a r c ho f t h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fn e a r - f i e l df l o wb e h a v i o rw h e nu s i n gd i f f u s e r st o d i s c h a r g ew a s t ew a t e r i nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lr e s e a r c h ，w i t ht h er e f e ：r e n c et os o f t w a r eo f f u l e n t , s t a n d a r dt w oe q u a t i o nk - - et u r b u l e n tm o d e l 、t h er e n o r m a l i z a t i o ng r o u pk - - 6 ( r n g k 一) m o d e la n dr e y n o l d ss t r e s se q u a t i o n ( r m s ) m o d e la r ea d o p t e d a tt h es a m et i m e ，t h e m o d e le q u a t i o n sa r es o l v e di nf i n i t ev o l u m ea n ds i m p l em e t h o d s ih a v eg o tt h ev e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l d ，b u o y a n tj e tt r a j e c t o r y , t e m p e r a t u r ea t t e n u a t i o na l o n gt h ea x i s ，b u o y a n tj e t t r a j e c t o r yi m p a c t e db yb u o y a n c yf o r c eu n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t y r a t i oa n dd i f f e r e n tj e t t e m p e r a t u r e t h ev e l o c i t yr a t i oa n dp o r t ss p a c e ，w h i c hh a v ev e r yi m p o r t a n te f f e c to n f l o w i n gb e h a v i o ri nm u l t i p o r tt h e r m a lw a s t e w a t e rje t ，w e r ei n v e s t i g a t e da n ds p e e da n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw e r ec a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tp o r t ss p a c eo fv a r i o u sv e l o c i t yr a t i o a n dw ec a na l s og e ts o m ej e tl a w sa n dr e s u l t s i nt h i sp a r e r , iu s ed i f f e r e n tm o d e l ss i m u l a t e dt h ec o m p l i c a t e d3 df l o w ，i th a sar e f e r r e d i 西安理工大学硕士学位论文 v a l u ef o rt h el a t e re x p e r i m e n t a ls t u d y i ti sv a l u a b l et os t u d yt h er e g u l a r so ft h e r m a l w a s t e w a t e ri nt h et h e r m a la n dn u c l e a rp o w e rp l a n t si n t r u d ei n t ot h ee n v i r o n m e n t a lw a t e r i t c a l la l s o p r o v i d es o m et h e o r e t i cf o u n d a t i o n sf o r c o o l i n gw a t e rp r o j e c t s a tt h el a s t ，a l lt h ew o r k a n df r u i t si nt h ep a p e rw e r es u m m a r i z e da n dt h ed e f e c t sa n df u r t h e rw o r kw e r ee l a b o r a t e d k e yw o r d s ：c o f l o w i n g ；m u l t i p o r td i f f u s e r s ；t h e r m a lw a t e rb u o y a n tj e t ；p o r t ss p a c e ； u n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 论文作者签名： 够 劢够年弓月2 0 日 学位论文使用授权声明 本人碰p 箍 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：导师签名： i 望受砷乡年弓月加日 前言 _ _ - - _ - 刖声 随着我国工业的发展和城市化规模的不断扩大，国家对能源的需求日益增加，尤其是 对工业生产和人们日常生活至关重要的电能，为了缓解电力供需紧张的矛盾，一批热电、 核电项目陆续上马。同时伴随着人类的经济活动，大量有毒有害的工农业废水、废气和生 活污水未经充分处理而直接排入河流、湖泊、水库、海洋、大气和土壤，使地表水、地下 水等天然水体和大气受到严重污染，影响生产、生活、生态平衡的各种环境问题日益突出， 制约着人类社会的进一步发展。因此，环境的保护和资源的可持续利用，已成为当今世界 面临的主要任务之一。 电厂的建设不可避免会带来发电机组冷却水处理的问题。以火力发电为例，在燃料燃 烧产生的能量中，一般4 0 转化成电能，1 2 随着烟气排放到大气中，余下4 8 全部随冷却 水进入水体。大量未经处理的冷却水排入水体后，将引起水体水温的升高，产生一系列影 响如改变了水生生物的生存条件，使得水中非离解氨含量增加并促进其对生物的毒害作 用，从而对生物及生态环境造成影响和破坏。热污染问题一直以来都是水体环境污染研究 的一个重要内容，在受污染水体中，水体的温度场扩散及其分布是衡量水体被污染程度的 要素之一，它直接反应污染物的排放量和影响范围，具有很好的实际意义，因而是当前环 境工作者研究的热点之一。 在生产实践中，废水一般是经由管道排放到水体中。射流可以看作是一股流体从各种 排放口或喷口流入周围环境流体，并与环境流体发生强烈掺混的流动形式。在研究和工程 领域中，通常将这类排放定义为浮射流。经由扩散器排放出的污水以浮射流的形式和周围 水体发生强烈掺混，在排放近区内达到高度稀释。在初始阶段内污水的掺混稀释以动量卷 吸和强迫掺混为主要机理，是污水稀释掺混的主要区域口一3 。因此，研究污水处置工程中 排放口的排放流动特性就具有重要的理论意义和实际应用价值。排放口近区排放流动特性 主要是指不同环境水体中扩散器排放污水的初始掺混、卷吸和稀释特性。运动的环境水体 明显地改变污水的初始排放特性，研究环境水体对以浮射流形式排放的污水的初始掺混稀 释特性作用机理，可以正确认识污水掺混稀释的本质，合理进行污水排放口的设计以获得 良好的排放流动特性，达到更高效率的初始稀释，将排放的污水对环境水体的影响减至最 小；可以正确确定污水江河湖海处置工程的允许排污负荷和制定排污标准，是进一步提高 污水江河湖海处置水平和加快城市污水处置进程的理论基础。 西安理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究工作的意义 当今世界经济的快速发展和人口的不断增加使得人类与自然环境之间的矛盾不断加 剧。人类活动的范围的不断扩大空前加剧了对环境的影响，环境污染和生态环境破坏己经 发展到了极其危险的程度。经济的快速发展一方面提高了人们的物质生活水平，另一方面 又对自然生态环境造成了破坏，如果不采取合理有效的控制措施，治理生态环境污染，人 类将会遭受到自然界越来越严厉的惩罚。因此我们有必要利用一切有效的手段维持自然界 的平衡，使得人类社会与自然界和谐共存和发展。 我国水资源地域分布不均所造成的资源性缺水和经济的迅猛发展所造成的水质性缺 水，己经严重制约了经济的发展，目前我国七大水系辽河、海河、淮河、黄河、松花江、 珠江、长江均己受到不同程度的污染，其中4 2 的水质超过3 类标准，全国有3 6 的城市 河段为劣5 类水质，己丧失了使用功能；大型淡水湖泊( 水库) 和城市湖泊水质普遍较差， 7 5 以上的湖泊富营养化加剧。在这种形势下，既要充分利用现有的水资源，又不能以破 坏水生态环境的为代价，这是广大的科研人员和相关部门决策者考虑的首要问题。 电力、机械冶金、化工、石油工业等所产生的热废水向水体的排放，使水体温度升高 到有害程度，称为水体热污染。水体热污染会影响水质以及水生态环境，给人类带来间接 危害。水体热污染的危害主要有：使水中溶解氧减少。溶解氧是水生生物赖以生存的条 件之一，也是水体净化的最重要因素之一。而水中溶解氧的溶解度与温度成反比；此外当 温度、有毒物质一定时，如溶解氧下降，有害物质的毒性增强。导致水体富营养化。因 n 、p 等物质的过剩是产生富营养化的主要原因，但温度也是不可忽视的。首先，增温可 促进有机物的分解，同时又使溶解氧下降，底泥处于厌氧状态，增强其释放n 、p 。其次， 增温可以使耐温性和温性植物种类如蓝藻、绿藻增加，浮游植物异常增殖。使水体中重 金属和有害物质的毒作用加大。水温升高，生物化学反应加快。重金属具潜在的危险，一 些重金属可在微生物的作用下转化为金属有机物，产生更大的毒性，例如汞的甲基化。另 外，水温升高，有害物质的毒作用加大，并且富集速度加快影响受害生物的生存。使水 生生物繁殖率下降，甚至引起鱼类种群的改变与死亡。水温是鱼类生长繁殖的重要因素， 它可以改变体内的代谢速度，还可使鱼类感染疾病的几率增加。 一般说来工业或生活废水，无论经过处理与否，最终绝大部分都要排入环境水体，并 携带一定的污染负荷。天然水体本身对废水有一定的自净能力，经过污水处理厂处理的污 废水排放到天然水体以后，利用水体的这种能力可以对处理水进行二次净化；其次污染物 排到天然水体中，利用水体的输移扩散作用，可以大大降低污染物的浓度，对大水体，作 用尤其显著。虽然稀释作用并未减少排入环境的污染物数量，但影响生态环境的毕竟是浓 度，采用稀释法处理废水应视为水污染控制的一种经济有效的手段。如果排放的污染物在 水体所能承受的范围之内，就可以做到既不影响环境，又节约污水处理厂的基建和运行费 第1 章绪论 用。反之如果超过了水体的承受能力，平衡一旦被打破，就会导致水体丧失其使用功能， 使环境恶化。因此对污染物在环境水体中的扩散、输运规律及其对环境的影响的正确分析 和准确预报，是制定合理、有效的控制和保护措施的基础。由于在研究领域和工程实践 中有着重要的理论价值和实际应用价值，射流是流体力学里一个重要的研究课题。 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。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 射流为羽流或卷流( p l u m e ) ，而浮射流( b u o y a n t j 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，使射流断面不断扩大，射流流速沿程减小，浓度或温度沿程降低。 实际上，射流问题广泛存在于我们的许多工农业生产和生活当中。如电厂冷却水排入江河， 从烟囱、冷却塔等建筑物排出的粉尘、废热气体流入大气、船舶废水排入港口水域等。另 外，在其他领域，比如航天、航空领域中的火箭、喷气式飞机及卫星姿态控制，动力力面 的水轮机、汽轮机、内燃机燃烧室、蒸汽泵、锅炉，冶金锻造用的加热炉，液压射流控制， 高压水力采煤，射流切割，气膜隔热和冷却，化工方面的混合设备，水力采掘，农业喷灌 和通风空调等中都有大量的射流问题。毫无疑问，此处对扩散器近区流态的研究不仅可以 加深对紊流流动特性的认识并进一步丰富射流理论，而且能够为扩散器与射流在生产实践 中的应用提供更加完善的理论基础。 浮射流是环境水力学及流体力学近年来的重要研究对象。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、射流的轨迹线、射流扩展的范围和流速的分布。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、混度分布和挟带物质浓度分布。 工程实际中，通常是采用一排通向水底的管道将这些污水排放出去。采用单孔或多 孔射流与环境水体的稀释特性，利用天然水体的环境容量和自净能力，使污水得以处理和 净化，以达到排放标准。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，水质承受稀释能力有限，快速稀释就显得尤为重要。 淹没多孔射流被认为是最有效的快速热稀释方式。这主要是由于利用多孔进行废水排放， 而不是侧边排放或单个大直径的孔口泄排，这样有利于射流掺混面积的增加，周围环境流 体就较多的卷吸到射流之中从而使污染物浓度的尽快稀释。因此，对多孔浮射流的特性进 行研究具有重要的意义。 1 2 射流的分类和特性 1 2 1 射流的分类 根据不同特征可以将射流分为各种类型： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 按流态可以分为层流射流和紊流射流，后者也称为紊动射流，以射流的雷诺数r e 作为划分标准。实际工程中多为紊动射流。 ( 2 ) 按射流断面形状可以分为平面( 二维) 射流、圆断面( 轴对称) 射流和矩形断面 ( 三维) 射流。 ( 3 ) 若从喷口流出的流体与周围的受纳流体物理性质相同，射流形成主要是受喷口处 初始动量的作用，这类射流就叫做纯射流或动量射流。若射流形成是受喷口处流体与受纳 流体的密度差所产生的浮力的作用，这类射流就叫做卷流或羽流。如流体局部受热而与周 围冷流体形成密度差，在浮力的作用下形成的流动就是卷流。若射流不仅有初始动量，而 且还受浮力的作用，这类射流就叫做浮力射流或强迫卷流。浮力射流的运动既受初始动量 的影响，又受浮力的作用。纯射流和卷流是它的两种极端情况b 1 。按射流所受浮力的方向， 浮力射流又可分为正浮力射流和负浮力射流。当浮力的方向与初始动量的方向相同时，叫 做正浮力，在正浮力作用下的射流就是正浮力射流，反之，就是负浮力射流h 3 。 ( 4 ) 按出流空间情况分类，若射流出流到无限大的空间中，流动不受固体边壁的限制 则称为自由射流；反之，则称为有限空间射流，它的运动受固壁或自由面的影响。若射流 有一边贴附在固体边壁上，则称为贴壁射流；若射流沿水体自由表面射出，叫做表面射流 i s 0 ( 5 ) 若环境流体在射流流入以前处于静止状态，则这类射流叫做静止环境中的射流：反 之叫做流动环境中的射流。受纳流体( 即环境流体) 又可根据密度分布而分为均匀环境和分 层环境，这两种环境中的射流运动规律是不同的。 ( 6 ) 同一般流动一样，射流还可分为不可压缩的和可压缩的，层流的和湍流的，非恒 定的和恒定的。根据浮力产生的原因不同，浮力射流又可以分为浮力热水射流和浮力污 水射流。 ( 7 ) 若喷口是一很长的狭缝则可称为平面射流；喷口若是一圆孔，则为圆形射流或轴 对称射流。若喷口的法线方向沿铅直方向，就叫做铅直射流；沿水平方向的，叫做水平射 流；与水平向呈任意角度的，叫做倾斜射流哺1 。 在实际工程中遇到得较多的情况是浮射流，如火电站或核电站的冷却水排入河流和 湖泊中的热水射流和污水排入密度较大的河口、港湾等水体中的污水射流。 1 2 2 紊动射流的特性 4 第1 章绪论 - - 一- j 安入 一一 ：i7 j 一 ：r ! 、一 夕 一 a 一- 一 3 一一一一_ ，l一 j 、7 7 或脚 罗 混合层 土i 函日重 、 一。r ， 一- 扣矗l 一 图卜i 自由紊动射流流动特征示意图 f i g l 。1d i a g r a mo f c h a r a c t e r so f t u r b u l e n t j e t 图卜1 中，是射流孔1 3 的平均流速，“。是射流中轴线上某一点的实际流速，“是 射流流场内某一点的实际流速。 a 射流的形成，卷吸与混合作用 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。 b 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1 3 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向，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。 c 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。 d 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。 e 等密度自由射流的动量守恒性 西安理工大学硕士学位论文 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：l u d m = i p u 2 d a = c o n s t 。对于变密度自由射流，这个关系就不存在。 jj ma f 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 3 射流的研究方法 浮射流是环境水力学及流体力学近年来的重要研究对象。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。 浮射流的研究方法主要有三种：量纲分析法，积分方程法和微分方程法。 1 3 1 量纲分析法 量纲分析方法是借助于实验研究或实际工程试验，采用量纲分析来整理试验资料、得 到经验关系式。由于射流运动的复杂性及人们对流体运动认识的局限性，目前仍难以从理 论上来解决大量的浮射流问题，该方法仍然是解决许多实际科学和工程领域中遇到的浮射 流问题的重要手段。 射流的各种时均特性，如射流轨迹、稀释度、扩展宽度、沿射流轨迹的稀释度等就是 空间、时间和初始条件的函数，因此可以把射流的时均特性表示成： = 厂k ，p o ，p 。，h ，d ，u o ，u 。，0 0 ，1 9 ，c o ，x ，y ，z j ( 1 1 ) 其中：风一射流密度；成一环境流体密度；日一排放口处水深；d 一射流孔口直径；u 。 一身寸流出口流速；甜。一环境水体流速；吼一射流孔口与环境水体水流方向的夹角；u 一为 排放流体和环境水体的动力粘滞系数；c o 一射流中所含污染物质的浓度；x ，y ，z 一空间坐 标；g 一为当地重力加速度。 目前较常见的处理方法有两个。一种方式是采用基本特征参量做量纲分析，主要用于 实际工程的实验研究。即采用特征长度l 、特征流速u 和流体密度p 为基本参数，从影 响扩散器射流近区掺混稀释的因素出发，分析近区内的流动特性参数。影响因素主要有环 境水流条件、喷嘴射流初始参数和扩散器特征参数。对各参数进行分析组合及无因次化， 再根据浮射流的适用条件略去次要因素得到实验所需测定的参数。实验结果整理分析后， 进一步得到工程实用的经验关系式。通过把影响因素归类，如划分成射流参数、环境参数 6 第1 章绪论 和边界作用，首先找出各种简单流动极限平衡态的渐近解，然后将这些解组合起来用到更 复杂流动的一般描述中，实践证明这种基本方法是能够处理复杂流动的，如横流中的浮射 流，并能推导出浮力、动量和横流对射流轨迹、射流稀释度的定性影响，在此基础上，可 以进一步结合实验结果提出更灵活更详细的计算方法。 稀释度s 是污水排放工程中的一个非常重要的参数，其定义为排放浓度c o 与某点浓 度c ( x ，y ，z ) 之比，即s = c o c ( x ，y ，z ) ，它是排水口混合能力的量度。某点浓度c ( x ， y ，z ) 的有关物理参变量关系式可表达为： c = f g ，风，见，h ，d ，o o ，u ，c 0 z ，y ，z ( 1 2 ) 式中：p o 成一排放流体密度和环境流体密度；h 一排放口处水深；d 一排放口直 径； 1 4 0 ，掰。一排放流体速度和环境水体流速；o o 一排放口与水平面夹角； u 一为排放流 体和和环境水体的动力粘滞系数；g 一为当地重力加速度。 当射流还受到浮力作用时，可将g ，p ，p 。三项可组合成单一变量 盟丑g ：竺g ( 1 3 ) p ap 。 上面的关系式可以写成： f c ，c o ，= 兰g ，h ，d ，z o ，“。，吼，x ，y ，z 】= 0 ( 1 4 ) 上述1 2 个物理变量中仅有3 个基本的变量长度( l ) ，时间( t ) ，以及浓度( c ) 。利用 7 r 定理进行量纲分析h 1 ，可得到稀释度有关参数表达式： 却万h ，面u o ，瓦u o ，竽峙静 ( 1 幻 、。见 由式中的无量纲因子可以确定污水的稀释倍数以及其他特征参数。 这种采用基本特征参量来作量纲分析的理论非常适用于多孔浮射流近区初始稀释的变 化规律的研究，得到描述近区初始稀释度变化规律的半理论半经验公式，可为实际工程的设 计提供可靠依据。但是，对于不同的扩散器形式，不同的环境水体条件和污水排放条件，得 到的结果不一定相同。香港大学的李行伟教授领导的课题组用大量室内实验、工程模型试验 和现场收集的资料，对该理论进行了研究和证实，并将该理论从静止均匀环境水体应用到无 限深度的浮射流中口1 。 国内的许多专家和学者利用该方法对不同型式和排放条件的污水排放口进行了模型试 验研究，取得了大量的宝贵资料和工程经验，对排放口的设计和工程运行起到了很好的指导 作用，同时也为其它类似污水排放口的建设提供了宝贵的经验，推动了我国污水江河 湖海处置技术的发展。顾佩龙等人9 1 采用此方法对上海市污水治理一期工程排放口进了模 型试验研究，严忠民等人n 仉1 1 1 对厦门污水排海工程排放口模型进行了试验研究，韦鹤平分别 7 西安理工大学硕士学位论文 对上海市星火工业区污水排海工程和竹园排放口模型试验研究n 厶川，得出了适用于该工程的 排放口参数，徐高田n “巧1 结合上海合流污水治理二期工程白龙港排放口水力模型试验，采用 量纲分析方法对近区初始稀释度的变化规律进行了研究，得出了描述该排放口条件下初始稀 释度变化规律的经验公式。任佐皋n 6 1 和项菁n 7 1 对杭州四堡污水排江工程扩散器参数进行了试 验，得出了影响扩散器排放特性的无量纲参数，并经工程实际运行多年后现场测试得到验证 n 8 1 。蒋传丰n 们和左东启等人乜们则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， 给出了以组合无因次数形式表达的初始稀释度同扩散器排污负荷，排放水深，相对密度差， 环境流速，竖管间距，喷孔直径和喷管个数等主要影响因素的关系。严忠引3 、蒋传丰等人 n 们还依据无量纲法分析结果，对污水排放管的物理模型试验准则和试验方法进行了有益的探 索。 熊鳌魁和詹德新心等利用基本特征参数方法，研究了二滩水电站工程中的木材过坝统中 淹没式喷嘴加速器的水力性能，即近自由水面水下淹没喷嘴射流流场特性，主要是喷嘴直径、 出口喷射速度和喷嘴淹没深度等情况下，近水面纵向对称中心线时均流速的衰减规律和纵向 流速横向分布规律。利用量纲分析方法对试验成果进行了研究分析，得出了上述因素下纵向 对称中心线时均流速的衰减规律和纵向流速横向分布函数。a n t h o n y 和w i l l m a r t h 也利用同 样方法对自由水面下圆射流的紊动特性进行了研究分析心羽。 另一种做法是采用相对于单位质量的比质量通量q o 、比动量通量m 。和比浮力通量玩 作为基本参数来作量纲分析，并使用一种量纲为长度的特征尺度作为基本参数来综合反映这 三个控制参数在射流发展中的作用，由此确定各种目标量的数量级大小。这类分析方法虽然 是半经验方法，但是描述简洁；物理概念明晰，很好地体现出物理量之间的关系，而且不同 实验结果的一致性较好，因此国内外众多学者更多地选择该方法。 其中： q o = k 出，= k 幽，8 0 = i g 垒d a ( 1 6 ) j二j 以 式中： u 。为垂向流速分量，p 。为环境流体密度，p 为射流密度，a p = p 。一p 。 这种量纲分析方法便于分析动量和浮力在多孔浮射流中所起的作用。可将射流的各 种特性变量表示为这三个参数的出射量q o ，m 。，b 。，出射角o o 和坐标的函数。 = 厂( q o ，m o ，s o ，o o ，x ，z ) ( 1 7 ) 该方法由m o r t o n 3 引入，l i s t 等人采用这种方法对紊动浮射流进行了分析，得出了 影响浮射流特性的无量纲参数，从而使该方法得到进一步的发展乜钆2 5 1 。槐文信陋6 1 采用该特 征量为基本参量，利用积分分析方法研究了静止均匀环境中圆形卷流轴线流速和密度差沿 第1 章绪论 程的变化规律，其结果和p a p a n i c o l a o u 等乜7 1 得试验值十分吻合。 对于纯动量射流b 0 = 0 ，可采用一种量纲为长度的特征尺度作为基本参数来综合反 映两个基本参量的作用，将浮射流各种特性的变量都表示为乞，0 和坐标的函数，使问题 得到进一步简化。以 ，q = 孤q o = 压 ( 1 8 ) 来综合反映或和m 。的作用，同时也反映了射流的初始几何形状，式中4 为射流出 口断面面积。 以乙综合反映起始浮力通量玩和起始动量通量m 。的作用，在圆形断面射流中有 3 、l ? 4 ，= = 等 ( 1 9 ) “ b 2 该特征尺度体现了动量与浮力的比值，同时还定义了浮力作用开始占主导地位时距离 射流源的距离，当l ， 1 时浮力对射流起控制作用，当三。 1 5 0 0 0 时，a 对不同的断面变化并不大，其平均值为a = o 0 3 3 ，这 里的射流半径是按，= b o 。定义的。 同时，如l i s t 和i m b e r g e r 乜町通过对紊动射流和羽流中的卷吸特性进行理论分析和实 验研究后认为，浮射流中的卷吸系数a 与当地的佛汝德数e 有关系，并不是一个常数。 国内外的许多学者采用动量积分方法对不同环境中的浮射流的流动特性进行了大量研究 的同时，对卷吸模式本身也进行了研究和探索。f a n 汹1 和h i r s t 1 分别对分层和流动环境 中的湍浮力射流流动特性进行研究，c h i a n g 和s i1 1m 1 对横流中射流的卷吸特性进行了研 究，槐文信和李炜n 订研究了静止环境和流动中倾斜浮射流流动特性，还通过试验研究获得 了利用积分守恒性导出的以任意倾角从喷口流入静止环境中浮射流的积分模型的有关参 数。但这些模型的预报结果准确性很大程度上依赖于流速和浓度( 密度) 的分布形式以及卷 吸系数的选择。h i r s t b 钔认为射流的卷吸流体由紊动产生的卷吸和浮力效应产生的卷吸两 部分组成，并给出了比较合理的卷吸率的表达式。以e 表示射流边界上单位长度内的质量 掺入量，则有： 肚( 口l + 鲁8 i 叫啪 ( 1 1 2 ) 式中，乃为当地密度佛汝德数，口l 表示紊动效应产生的卷吸系数，取0 0 5 7 ，a ：表 示浮力效应引起的卷吸系数，为流速剖面与浓度( 或密度) 剖面宽度之比值允的函数。但 在考虑由于浮力因素产生的卷吸量时，只考虑了密度佛汝德数的极限情况而无法对一般 佛汝德数情况下的浮射流流动特性进行较准确预报。由于流速剖面与浓度( 或密度) 剖面 宽度之比值九同紊流的施密特数& = 有关，槐文信和李炜h 门假设a 的变化规律同涡 粘性系数v t c p 哆乡中的模型系数c p 变化规律相似，有相同的表达形式。通过数值试验 得到了旯同出口浮射流密度佛汝德数的相关关系，并给出口，的表达式： 西安理工大学硕士学位论文 口，= 2 a 2 一善( 1 1 3 ) 兄+ 1 用该关系封闭方程后求解静止环境中倾斜浮射流的计算结果与试验资料吻合很好。 在研究横流环境中浮射流流动掺混和卷吸特性时，c h i a n g 和s i l lh 0 1 指出，横流，引 起的卷吸量e = 2 z r b - 夏z v s i n o c o s 0 i ，且口：= 0 5 ，槐文信和李炜h 2 1 在此基础上并结合文献 h 的研究，利用积分方法对流动环境中倾斜浮射流流动特性进行研究时指出，射流的卷 吸流体由紊动产生的卷吸、浮力效应产生的卷吸和横流产生的卷吸三部分组成： 、 e = d r b ia , a u 。+ 鲁a “。s i n o + 西s i n 0c o s 0 | 1 ( 1 1 4 ) rr ， 其中：a = 1 11 + 0 0 2 5 i1 + t a n h ( 2 l o g f r 0 1 + 3 ) l ，f r 为当地密度佛汝德数，q 表示 紊动效应产生的卷吸系数，口，表示浮力效应引起的卷吸系数。 用有限分析法求解该问题，计算结果与试验资料吻合，证明了该卷吸率表达式的合 理性。 动量积分方法以许多自相似假定为基础，其中有些相似性假设尚需进一步研究，如 由动力及浮力的共同作用下浮射流中三个区段中自相似性及卷吸规律是否相同尚未定论： 关于1 ，、p 、c 、p 分布的自相似性也没有统一的结论，在射流和羽流中存在相似性，但 在浮射流中情况复杂，仍有待进一步深入研究。李炜和槐文信h 3 1 等人近年来还对静止环 境中射流和卷流的流速分布和温差分布的自相似性条件进行了研究。根据浮射流控制微 分方程所描述的物理现象存在自相似性的原理，将流动的各物理量以其相似函数形式表 达，从而将偏微分方程蜕化成常微分方程组，求出这些相似函数后得出射流这些物理量 的分布和变化规律。p a u l l y h 钔利用七一s 流模型得到了平面和圆射流中的相似解，但却未 考虑沿流动方向上的动量守恒条件。槐文信和李炜h 副考虑了动量和热通量的守恒条件， 采用七一占紊流模型封闭雷诺应力，利用有限分析法得出了速度、温度和紊动动能等的相 似函数，其断面分布和沿程变化规律均同己有的试验资料吻合较好。 经过众人的不懈努力，浮射流特性的研究方法取得了较大的发展。随着射流问题研 究的不断的深入，流体力学理论的发展和新的数学理论的引进，也出现了一些新的研究 方法，如文献h 6 1 利用分形几何学研究了静水及恒定横流环境中垂向射流瞬时浓度场特性， 获得了分维数随动量比、稀释度的关系，文献h 铂在此基础上研究潮流底部射流浓度场分 维数随潮流不同时刻而发生变化的规律，对研究紊动射流的瞬时特性进行了积极有益的 探索。p a u l m l 研究了同流和横流环境中紊动射流间歇系数在横断面上的变化，余常昭3 从分析实测的紊动射流瞬时流速变化入手研究了卷吸涡的性质，对紊动射流卷吸机理进 行了初步研究。 1 2 第1 章绪论 目前有很多积分模型来模拟分层和未分层，静止和流动环境中的单孔和线源的浮射 流。水流运动存在两种描述方法m 1 ，即拉格朗日( l a g r a n g e ) 方法和欧拉( e u l e r ) 方法，因此 可以将这类模型划分成拉格朗日积分模型和欧拉积分模型。 采用拉格朗日积分方法的模型，是通过跟踪紊流元素的运动来推导方程。比如，f r i c k 嘞1 建立了横流中羽流的拉格朗日模型，能够预测羽流的轨迹，稀释度，宽度等。l e e 和 c h e u n g 口羽给出了流动环境水体中浮射流三维轨迹的拉格朗日模型，该模型只要少量的经 验值输入。欧拉积分模型是建立在固定空间位置上的微分控制体。例如，f a n 睛和 s c h a t z m a n n 啼羽建立了排放到分层和流动环境流体中的圆浮射流模型。c h u 和l e e 啼3 1 建立了 横流中的浮射流模型，采用扩展假说来代替速度和浓度分布假定。 1 3 3 微分方程法 随着紊流理论、计算机技术以及数值计算技术的迅猛发展，把描述流动的微分方程 离散化后更多地运用在实际工程当中。微分方程求解法近年来在污水排放工程中的应用得 到了较快发展。并由静止水域和恒定水域中排放近区流动的数值模拟嘲 6 ，向非恒定水域 排放近区和远区流场的数值模拟的方向发展，清华大学在这方面进行了大量的研究工作 2 堋1 。目前己应用在许多污水排放工程中，大大促进了水质预测模型的发展哺7 1 。 1 8 9 5 年，r e y n o l d s 提出了描述紊流运动的时均n s 方程，此后1 0 0 多年里，研究者 们花费了大量时间建立了各种紊流模型，其目的是试图使雷诺应力张量与流体的变形张量 之间建立起联系来，从而封闭雷诺方程。对紊动射流应用微分方程求解的关键是方程的封 闭问题，必须增加雷诺应力项使方程封闭且有唯一解，由此必须针对雷诺应力采用适当的 紊流模型。紊流模型是建立雷诺应力张量与流体的变形张量之间的基本方程，以使n - s 方程能够得到合理的封闭。 紊流模型的种类很多，目前通行的分类法是根据紊流模型采用的微分输运方程的个 数，将紊流模型分为零方程模型、一方程模型、两方程模型和多方程模型。 最早采用的是零方程模型，即p r a n d t l 混合长度理论 引，该理论曾解决了不少的实际 问题。但对于较复杂的射流流场如有密度差的流动时，其计算结果并不理想，且混合三也 不易确定陋1 。k s 双方程紊流模型是在近年来新发展起来的一种紊流模型，即在时均流的 基本微分方程之外，增加单位质量流体的紊动动能k 及粘性耗损率s 两个传输偏微分方程 来封闭紊流的基本方程组进行数值计算口。l e s c h z i n e a 和r o d i 口2 1 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的回流流场，槐文信 和李炜盯3 3 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