同流中热水浮射流的数值模拟及试验研究

论文摘要

浮射流是常用的排污方式,近年来,许多学者对此进行了研究,取得了一批成果,但对于同流中的浮力射流,目前研究成果较少,其试验成果目前尚未看到报道。本文采用三维RNGκ-ε浮射流紊流模型和物理模型试验,研究了同流环境中热水浮射流的水力特性,研究表明,对于单孔浮射流,温度最大点的轨迹线随距离的增大而上浮；随着位置高度的增加,等值线图的起点后移,并逐渐发展成马蹄形。在横断面上,射流不断与周围环境流体发生卷吸、掺混,使得温度分布逐渐变得均匀,等温线逐渐稀疏,温度等值线从初始的圆形逐渐变为肾形。三孔浮射流的数值模拟表明,三孔射流的出流状态为,每股射流自喷嘴出射后先保持单股自由紊动射流的流动特性,在交汇前每股射流的温度场相互不影响,交汇后相邻两股射流互相混掺,温度场相互影响。三孔射流有相互吸附的效应,两边孔射流受吸附的作用,向中孔射流靠拢。射流温度的变化梯度随距离的增加而减小,随流速比的增大而增大。在射流出口附近的温度变化梯度很大,随着距离的增加,温度变化梯度逐渐减小；断面射流温度的计算表明,高温水流自孔口射出后温度沿程衰减,其截面形状逐渐完成了由三个圆向“W”形再向“运动场”型的转变。模型试验表明,射流的速度和温度在x轴方向的变化,都是射流自孔口射出后先急剧衰减,射流出口附近的衰减梯度很大,随着距离的增加,衰减梯度逐渐减小,直至和环境流体的速度、温度相同,单孔射流和三孔射流在不同工况下的速度和温度沿y、z方向上的变人都具有相似性,近似呈正态分布模型试验结果和数值模拟结果对比认为,浮射流的速度、温度在三个坐标轴上的分布规律基本上是一致的,其计算结果和实测结果也较为符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 射流的研究现状
• 1.2.1 射流概述
• 1.2.2 射流的类型
• 1.2.3 紊动射流的特性
• 1.2.4 研究现状
• 1.3 浮射流的研究方法
• 1.3.1 量纲分析法
• 1.3.2 动量积分方程法
• 1.3.3 微分方程法
• 1.4 本文的研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 2 数学模型的建立及控制方程的离散
• 2.1 紊流数值模拟方法
• 2.1.1 直接数值模拟法
• 2.1.2 大涡模拟法
• 2.1.3 雷诺时均方程法
• 2.2 浮射流紊流模型的建立
• 2.3 控制方程的通用形式
• 2.4 近壁条件的处理
• 2.4.1 壁面函数法
• 2.4.2 低雷诺数k-ε模型
• 2.5 使用有限体积法离散方程
• 2.5.1 有限体积法的简介
• 2.5.2 有限体积法的基本原则
• 2.5.3 方程的离散
• 2.6 基于交错网格下的SIMPLE算法
• 2.7 本章小结
• 3 同流中热水浮射流的数值模拟及结果分析
• 3.1 FLUENT简介
• 3.1.1 GAMBIT软件简介
• 3.1.2 FLUENT软件简介
• 3.1.3 TECPLOT软件简介
• 3.2 模型的选定
• 3.3 网格的划分
• 3.3.1 网格的划分和坐标系统的定义
• 3.3.2 一些参数的说明及求解问题的边界条件处理
• 3.4 对计算结果的分析
• 3.4.1 单孔温度特性的数值模拟
• 3.4.2 三孔射流温度特性的数值模拟
• 3.4.3 三孔流速场的数值模拟
• 3.4.4 单孔射流扩展半厚度
• 3.5 本章小结
• 4 同流中热水浮射流的试验研究及对比验证
• 4.1 引言
• 4.2 试验装置
• 4.2.1 热水箱系统
• 4.2.2 转子流量计
• 4.2.3 数字温度计
• 4.2.4 水槽结构
• 4.3 试验测量结果
• 4.3.1 试验工况
• 4.3.2 单孔试验成果分析
• 4.3.3 三孔试验成果分析
• 4.3.4 单孔射流轴线上速度、温度的实测结果与计算结果对比验证
• 4.3.5 三孔射流中孔轴线上速度、温度的实测结果与计算结果对比验证
• 4.4 本章小结
• 5 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录