纯射流在非恒定横流中的流动特性研究

论文摘要

水环境污染问题是当今世界各国所普遍关注的重大问题。由于经济的发展以及人民生活水平的提高，城市污水、电厂废水、厂矿烟气等的排放量逐渐增加，这些排放过程都跟射流的流动相关。因此，研究各种处置工程中排放口附近的流动特性具有重要的理论研究意义和实际应用价值。运动的环境水体影响污水的初始排放特性，非恒定横流中射流的流动特性因此成为环境水力学的研究热点。本文对圆孔纯射流在非恒定横流中的近场特性进行了数值模拟，并对数值模拟结果进行了验证与分析。本文主要的工作有： （1） 阐述了非结构网格Delaunay三角化方法的实施步骤，介绍了标准k-ε紊流模型与RNG k-ε紊流模型及各自的特点，归纳了非结构同位网格上SIMPLE算法的基本步骤。对实际问题进行概化，采用了数值计算中的简化模型；给出了模型的计算区域与边界条件。确定了数值模拟的工况，采用标准k-ε紊流模型和RNG k-ε紊流模型对圆形纯射流在非恒定横流中近场的流动特性进行了数值模拟，并与模型试验的结果进行了对比与验证，表明数值模拟的计算结果是可信的，RNG k-ε紊流模型更适用射流流动特性的计算。 （2） 得出了不同工况下圆形纯射流在非恒定横流中的速度场、压力场及紊动能分布，探讨了各类场随时间的变化规律以及产生这种现象的内在机理。 （3） 描述了射流z轴方向流速分量w等值线流团在横流传播中的自保性与相似性。通过半经验半理论的方法对射流z轴方向流速分量w等值线流团涡心运动轨迹方程进行了推导，分别建立了涡心运动轨迹x分量与z分量随时间变化的表达式。研究了射流z轴方向流速分量w等值线流团宽度随时间的变化规律并给出了拟合公式。 （4） 分析了射流的几何特征量，得到了射流势流核长度的变化规律及公式，探讨了逆流区长度的变化规律，得出了逆流区长度与射流比之间的相关关系，对小流速比时的工况进行了研究，探讨了射流的附壁现象。 （5） 通过场协同理论与统计学理论，得出了不同x断面的射流动量分配方差与射流abs（（?）·▽w）分配方差，探讨了动量扩散的内在机理，从理论上得出了增加动量扩散效率的途径，进一步得出场协同理论同样适合非稳态工况的结论。 （6） 对往复流（Ⅳ区）中射流特性进行了简单的介绍，对射流z轴方向流速分量w等值线流团涡心运动轨迹方程进行了推导，并通过数值模拟的结果对函数关系式中的系数进行了确定。对往复流中射流z轴方向流速分量w等值线的影响范围进行了分析，得出了一些初步结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 射流在恒定横流中流动特性的研究简述
• 1.2.2 射流在非恒定横流中流动特性的研究简述
• 1.2.3 数值方法
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 存在的主要问题
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 第2章 数值模拟方法
• 2.1 非结构网格的生成
• 2.1.1 初始三角化方法
• 2.1.2 初始三角形内的加点过程
• 2.2 方程离散与求解
• 2.2.1 标准k-ε紊流数学模型
• 2.2.2 RNG k-ε紊流数学模型
• 2.2.3 数值求解方法
• 2.2.4 非结构化网格上的SIMPLE算法
• 2.3 实际问题的简化
• 2.4 数值模拟的计算区域及边界条件
• 2.4.1 计算区域结构示意图
• 2.4.2 计算区域的网格剖分
• 2.4.3 计算区域的边界条件
• 2.5 数值模型试验工况的确定
• 2.6 试验结果的验证与紊流模型的比较分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 圆孔射流的特征场分布
• 3.1 流速场分布
• 3.2 压力场分布
• 3.3 紊动能分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 射流z轴方向流速分量w等值线的分布特性
• 4.1 射流z轴方向流速分量w等值线的分布
• 4.2 射流z轴方向流速分量w等值线流团涡心运动轨迹方程的推导
• 4.2.1 运动轨迹x分量随时间的变化特性
• 4.2.2 运动轨迹z分量随时间的变化特性
• 4.3 流团涡心的运动轨迹方程的参数确定
• 4.3.1 射流w等值线流团涡心运动轨迹随振幅A的变化特性
• 4.3.2 射流w等值线流团涡心运动轨迹随频率f的变化特性
• c的变化特性'>4.3.3 射流w等值线流团涡心运动轨迹随横流平均流速u_c的变化特性
• j的变化特性'>4.3.4 射流w等值线流团涡心运动轨迹随射流喷口流速u_j的变化特性
• 4.3.5 流团涡心运动轨迹方程
• 4.4 射流z轴方向流速分量w等值线流团自身的扩散特性
• 4.4.1 射流w等值线流团自身的扩散随振幅A的变化特性
• 4.4.2 射流w等值线流团自身的扩散随频率f的变化特性
• c的变化特性'>4.4.3 射流w等值线流团自身的扩散随横流平均流速u_c的变化特性
• j的变化特性'>4.4.4 射流w等值线流团自身的扩散随射流喷口流速u_j的变化特性
• 4.4.5 流团自身宽度变化特性的关系式
• 4.5 本章小结
• 第5章 射流的几何特征量
• 5.1 射流势流核长度的变化特性
• 5.1.1 恒定横流工况下射流势流核长度的变化特性
• 5.1.2 射流势流核长度随频率f的变化特性
• 5.1.3 射流势流核长度随振幅A的变化特性
• c的变化特性'>5.1.4 射流势流核长度随横流平均流速u_c的变化特性
• j的变化特性'>5.1.5 射流势流核长度随射流喷口流速u_j的变化特性
• 5.1.6 势流核长度变化特性的关系式
• 5.2 射流对称面上逆流区特性与流速比的关系
• 5.3 射流的附壁现象
• 5.4 本章小结
• 第6章 射流动量的扩散特性
• 6.1 场协同理论
• 6.1.1 场协同理论简介
• 6.1.2 场协同理论
• 6.2 统计学理论
• 6.3 射流动量分布特性
• 6.3.1 不同区的射流动量分布特性
• 6.3.2 射流动量分布规律随不同参数的变化特性
• 6.3.3 射流动量时间平均的分配方差
• 6.3.4 射流动量方差随时间的变化规律
• 6.4 本章小结
• 第7章 射流在往复流中的运动特性
• 7.1 往复流中射流z轴方向流速分量w等值线涡心运动轨迹方程推导
• 7.1.1 往复流中射流运动轨迹x分量随时间的变化特性
• 7.1.2 往复流中射流运动轨迹z分量随时间的变化特性
• 7.2 往复流中射流z轴方向流速分量w等值线的影响范围
• 7.2.1 往复流中射流w等值线的分布图
• 7.2.2 往复流中射流w等值线影响范围的变化规律
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录：主要符号说明
• 攻读博士学位期间发表或录用的学术论文
• 致谢