半封闭淹没圆管冲击射流湍流特性研究

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目前国内关于约束条件下圆管冲击射流的研究主要偏向于传热、噪声性质,关于流动特性的研究尚不全面。为了提高对多重关键控制因子影响下半封闭淹没圆管冲击射流流动机理的认识,本文基于课题组自主研发的恒定多孔紊动射流试验装置,同时借助PIV高速粒子测速仪进行试验,统计分析半封闭淹没圆管冲击射流在不同工况条件下的时均特性与紊动特性,为进一步研究该类射流的物质扩散和能量耗散作铺垫,并为工程应用提供机理解释与水力结构设计参考。本文的主要研究工作和成果如下:
  (1)绘制了不同工况下的流场流线图,流场中回流区随着雷诺数及冲击距的增大均往出流方向运动;在对壁面半值宽和速度衰减分析中,发现了回流区对自相似性的影响。
  (2)对射流主体段卷吸系数变化规律的研究表明:射流势流核长度随冲击距增大而增长的趋势较为明显,射流主体段沿程卷吸系数呈线性函数变化趋势,整体上沿程卷吸扩展率随雷诺数和冲击距的增大而增大,但其增幅随着冲击距的增大逐渐变小。
  (3)对壁面射流自相似区的半值宽扩展率进行了统计,在该段壁面射流的扩展呈线性函数变化;相同的冲击距离条件下,扩展率随雷诺数的增长而逐步减小,这与渐缩式圆形冲击射流的研究成果相似;随着雷诺数的增大,壁面射流区扩展率变化逐渐与自由冲击射流的规律一样,即逐步形成冲击距离越大扩展率越大的变化规律。
  (4)对壁面射流的速度衰减和分布进行了研究,结果表明:在断面最大径向速度沿程分布的自相似区速度衰减呈幂函数变化趋势;在自相似性不受回流区影响的工况下,相同雷诺数时衰减指数随冲击距的增大而增大,相同冲击距时衰减指数整体上随雷诺数的增大而增大。壁面射流区的速度分布变化趋势整体上保持一致,在冲击距条件一定时,随着雷诺数的增大,径向速度分布曲线逐渐向壁面靠拢,流速峰值处速度曲线曲率半径逐渐变小;壁面射流断面径向速度分布存在着自相似性,其中回流区对自相似性的影响范围与壁面射流扩展率及半值宽基本一致。
  (5)统计分析了相对紊动强度的分布规律,结果显示:在射流中心线上,轴向相对紊动强度沿射流方向呈幂函数增长趋势,轴向相对紊动强度变化存在着自相似性。雷诺数相同情况下,轴向相对紊动强度增长指数随着冲击距的增大而增大;同一冲击距下,整体上随着雷诺数的增大,增长指数有随之增加的趋势;在Re=11040至Re=13920的增长区间内,部分冲击距条件下的增长指数变化不大,有略微下降的趋势。
  (6)利用统计学分析方法研究分析了射流中心线上瞬时速度的概率密度分布、准周期性,统计结果表明:时均流速在瞬时速度变化过程中的复现样本量间隔最短,随着瞬时脉动流速的增大,对应的复现样本量间隔也随之增大,且脉动速度增量与复现样本量两者的增幅变化十分接近,同时也可以发现统计样本量越大,紊动的准周期性越明显。
  (7)研究了射流中心线上轴向和径向速度的偏态系数和峰度系数,分析了其不同工况条件下的变化规律,研究结果显示:整体上,径向速度在靠近喷嘴和冲击壁面的区域偏离正态分布程度较大,脉动较强;轴向速度在靠近壁面处偏离正态分布程度较大,且随冲击距的增大,偏态系数和峰度系数逐渐增大。
  本文的研究成果不仅可为紊动射流数学模型提供数据参考,评价湍流模型的预测能力,还可提高对多重关键控制因子影响下射流流动机理的认识,为解释该半封闭空间边界条件下的射流动能、能量传递和耗散机制奠定良好基础,研究成果预期可为船闸输水系统水力结构设计提供技术储备。
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