包邮多孔口紊动浮射流

第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着国民经济的快速发展，核电厂的规模逐渐扩大，我国的核电事业近年来也呈现出良好的发展态势，发展速度逐步加快。在核电厂运行过程中，需要采用海水进行冷却，但是蕴含巨大废热的温排水直流排入海域，势必会对海洋生态环境产生不利的影响[1-3]。因此，核电厂温排水的热污染问题是我国核电厂建设及核电事业发展过程中面临的主要环境和生态问题之一。 根据携带着大量废热的核电厂温排水与排水口的距离及水流的运动特性，将排入热水的海域分为近区和远区两种，近区紧邻排水口出流处，通过掺混作用将热量迁移至远区；远区较为广阔，通过水流的紊动扩散、浮射流及水面蒸发等方式来迁移热量[4]。核电厂温排水有别于其他的污染物，具有流量大、浮力作用强、废热沿程散失等特点，其与海水水体的掺混及传热是一个三维过程，由温差引起的浮力效应是影响水域流场和温度场的重要因素。国内外学者从工程角度出发，基于近区排水对海水水域的影响进行了大量的研究[5-13]，而对远区排水出流的浮射流问题涉及较少。 浮射流是环境水力学及流体力学近年来的重要研究对象，主要研究热水的稀释度、射流轨迹线、射流扩展范围及流速分布等。对于变密度、非等温和携带有污染物质的射流，还需确定密度分布、温度分布和污染物浓度分布。目前，学者主要采用理论分析、数值模拟和物理模型实验等方法开展热水浮射流研究。理论分析适用于简单射流型的紊流运动，对于具有复杂边界的流动和非均匀横流下的射流，难以进行理论分析。数值模拟具有花费少、适应能力强、能提供详细流场资料、便于方案比较等优点。随着计算机技术的飞速发展，人们也越发重视运用大型商业软件来模拟预测各种复杂的水流现象及流场内部结构，其中，越来越多的学者利用流体计算软件FLUENT开展浮射流问题的研究。FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的商业软件，操作简单方便，能计算复杂流场的流动问题，且适应能力强，是目前应用*广泛的流体计算软件之一。物理模型实验可以通过小孔径的实验设备进行观测，对流场的干扰较小，并且结果较为真实可靠，常被应用于实际研究中。 在实际工程中，通常采用单孔口或多孔口管道将带有废热的温排水排放至海域，利用环境水体的稀释特性、环境容量及自净能力，使废热水得以处理和净化，以达到排放标准。由于大型火电厂或核电厂温排水的排放系统庞大，交换速率大，或受纳水体和水质承受稀释能力有限，快速稀释热量就显得尤为重要，而多孔口浮射流被认为是*有效的快速热稀释方式。本书对同流环境下热水侧向出流掺混浮射流展开了三维数值模拟研究，探究不同出流条件下热水与环境水体间的掺混规律及流场、温度场分布特性，研究成果不仅可以为火电厂、核电厂温排水排放方式提供可靠的理论依据，也可以用于其他领域类似浮射流掺混问题的估算分析，具有重要的学术价值和实用意义。 1.2 射流概述 1.2.1 射流定义及分类 1) 射流的定义 射流是指一股流体从各种排放口或喷口流入周围环境水体，并同其掺混流动的状态。射流不同于明渠或管道流动，明渠和管道流动水体都受到固体边壁的约束，而大多数的射流周围是流体，射流具有过流断面周界不与固体边界接触的特点。 2) 射流的分类 (1) 根据射流在下游环境中运动和扩散的动力，可分为动量射流(简称“射流”)、浮力羽流(简称“羽流”)和浮力射流(简称“浮射流”)。若射流形成主要受喷口处初始动量的作用，这类射流称为纯射流或动量射流；若射流形成是受喷口处流体与受纳水体之间密度差所产生的浮力作用，这类射流称为浮力羽流；若射流不仅有初始动量，而且还受浮力的作用，这类射流称为浮力射流。显然，纯射流和浮力羽流是两种极端情况[14]。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，称为正浮力，在正浮力作用下的射流就是正浮力射流，反之，称为负浮力射流[15]。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。 (2) 根据射流所受环境水体和边界条件的影响因素，可分为静止环境中的射流和流动环境中的射流。若环境水体在射流流入以前处于静止状态，则这类射流称为静止环境中的射流，反之称为流动环境中的射流。受纳水体(即环境水体)又可根据密度分布而分为均匀环境和分层环境，在这两种环境中的射流运动是不同的。 (3) 根据射流周围固体边界的情况，可分为自由射流、有限空间射流、附壁射流和表面射流。若受纳水体所占的空间是无限的，则其中的射流称为自由射流；若流体受固体边界或自由面的影响，则称为有限空间射流；若射流沿固体边界发展，称为附壁射流；若射流在水体自由表面发展，则称为表面射流[16]。 (4) 根据喷口形状与出流角度，可分为轴对称射流、铅直射流、水平射流和倾斜射流。若喷口是一条很长的狭缝则可看成平面射流，若喷口是一圆孔，则为圆形射流或轴对称射流。若喷口的法线沿铅直方向，就称为铅直射流；沿水平方向，称为水平射流；与水平方向呈任意角度，称为倾斜射流[17]。 同一般流动一样，射流还可分为不可压缩射流和可压缩射流、层流射流和紊流射流、非恒定射流和恒定射流。 1.2.2 射流特性 1) 自由紊动射流流动特征 图1.1为自由紊动射流流动特征示意图。其中，u0为射流初流速，u为瞬时流速，um为平均流速，b0为孔口处的半径，b为射流任意断面的半径，x为射流方向。如图1.1所示，射流以初流速u0自孔口射出后与周围静止流体之间形成流速不连续的间断面。由射流力学可知，流速间断面是不稳定的，必定会产生波动并发展成为涡旋，从而引起紊动，这样就会把原来周围处于静止状态的流体卷吸到射流中，这就是射流的卷吸(entrainment)现象[18]。随着紊动的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，射流边界逐渐向两侧扩展，流量沿程增大。由于周围静止流体与射流的掺混，相应产生了对射流的阻力，使射流边缘部分流速降低，难以保持原来的初始流速。射流与周围流体的掺混自边缘逐渐向中心发展，经过一定距离发展到射流中心，自此射流的全断面上都发展成为紊流。 图1.1 自由紊动射流流动特征示意图 2) 射流的分区 由孔口边界开始向外扩展的掺混区域称为剪切层(shear layer)或混合层(mixing layer)，其中心部分未受掺混的影响，仍保持原出口流速的区域称为射流的核心区或势流核心区(potential core)。文献[19]总结了前人的研究成果，认为核心区的范围大约在6.2倍(x?6.2D)孔径内，从孔口至核心区末段之间的这一段称为射流初始段(zone of flow establishment)，紊流充分发展后的射流称为射流主体段(zone of establishment flow)，在初始段与主体段之间存在一个很短的过渡段，分析中一般不予考虑。 3) 断面流速分布的相似性 学者对射流的流速分布规律做了大量的实验和理论研究，以找出射流的运动特征，图1.2为不同断面上的流速分布，y为垂直射流方向。由图可知，在射流的各个分区段，各断面上的纵向流速分布具有明显的相似性，轴线上流速*大，离轴线越远，流速越小。改用无量纲坐标系表示断面流速，以为纵坐标，为横坐标。其中，u为断面距离轴线y处的流速，为该断面轴线流速，是流速等于处的纵坐标。图1.2中主体段所有断面的无量纲流速分布曲线基本上是相同的，各断面上无量纲流速分布几乎都落在同一条曲线上。 图1.2 不同断面上的流速分布 4) 射流边界线性扩展 紊动射流的混合层厚度随距离呈线性增加。若将主体段射流的上下边界线延长，则交汇于一点，该点称为射流的虚源(virtual origin)。应当指出，射流的边界为线性扩展，这仅仅是宏观的概念，由于边界附近剧烈的紊动作用，在实验中观测到的并不是一条光滑笔直的直线，而是一条略向外侧弯曲的曲线。 5) 射流各断面的动量守恒 自由紊动射流中各测点的压强相差不大，一般分析时都可按静压分布处理，根据动量定理，单位时间通过紊动射流各断面的流体动量是守恒的，即 (1.1) 式中，u为流体流速；为流体密度；m为流体质量；A为断面面积。 6) 自由射流的紊动特性 射流中的紊动非常强烈，其三个方向的脉动流速和时均流速属于相同量级，在距喷口较远处才能达到流动的真正相似，且紊动强度的*大值也不在轴线上。 1.3 浮射流概述 1.3.1 浮射流定义及研究方法 1. 浮射流定义 浮射流是指射流与环境水体密度不同，而以初始动量与浮力作为原动力的流动，是环境水力学及流体力学的重要研究对象。 2. 浮射流研究方法 浮射流的研究方法主要有三种：量纲分析法、微分方程法和动量积分法。 1) 量纲分析法 量纲分析法依靠实验研究或实际工程经验，采用量纲分析来整理实验资料并得到实用的经验关系式。因为射流运动十分复杂，人们对流体运动规律认识不足，目前难以从理论上解决浮射流问题，该方法仍然是解决许多实际科学和工程领域中浮射流问题的重要手段。国内外常见的量纲分析法有两种。一种是利用量纲和谐原理进行量纲分析，主要用于实际工程的实验研究。采用特征长度L、特征流速U和流体密度为基本参数，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体条件、喷口射流初始参数和扩散器特征参数。对各参数进行分析、组合并进一步无量纲化，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。根据实验结果进行整理分析，进一步得到工程实用的经验关系式。另一种方法认为影响浮射流的主要因素是初始动量、浮力和密度分层情况，因而采用相对于单位质量的比质量通量Q0、比动量通量M0、比浮力通量B0和入射角。 List等[20]应用量纲分析法得出了圆形射流更综合的无量纲变量，将纯射流、浮射流和羽流表达成统一的关系，从而避开浮射流中某些复杂的物理现象和影响因素，是非常有效的探索浮射流特性的方法之一，为研究浮射流特性建立了良好的理论基础。 2) 微分方程法 随着数值计算、紊动理论和计算机软件技术的发展，近年来微分方程法在热水排放工程中的应用得到了很大的发展，并由静止水域和恒定水域中排放的近区流场数值模拟向非恒定水域排放的近区和远区流场数值模拟的方向发展[21-28]。目前已应用在许多热水排放工程中，大大促进了水质预测模型的发展[29-31]。 对紊动射流应用微分方程法求解的关键问题是方程的封闭，必须增加雷诺应力项使方程封闭且有唯一解，因此需针对雷诺应力采用适当的紊流模型。以前常采用的是零方程模型，即普朗特混合长度理论[32]，该理论解决了不少的实际问题，但对于比较复杂的有密度差流动的射流流场，其计算结果并不理想，且混合长度L也不宜确定[33]。双方程模型是应用较为广泛的一种紊流模型，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能及紊动耗散率两个偏微分方程来封闭紊流的基本方程组进行数值计算[34]。Leschziner等[35]利用三种不同的差分格式来求解修正模型，计算了环形射流吸附区内的回流流场。槐文信等[36]利用标准模型并结合混合有限分析法，计算的结果优于前者。此外，槐文信等[37]在对不同环境中浮射流特性进行数值模拟研究的同时，还对不同的紊流模式和计算方法进行了大量有益的探索。他们利用混合有限分析法和交错网格的思想，首次对静止分层环境中圆形浮射流全场特性进行了模拟，其结果和实验资料基本吻合，采用同样的方法对横流中同流速比下单圆孔紊动射流流动特性进行了模拟计算，其结果和实验资料吻合较好；同时还发现了该流动中的分叉现象和马蹄涡结构，结合双孔平面射流流场的数值模拟结果，比较了标准模型、修正常