高速淹没射流冲击压强的试验和数值模拟研究

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在水利工程中,高速淹没冲击射流形成的动水冲击压强的大小是水垫塘水力设计的重要控制指标之一,水工模型实验中测得的水垫塘时均冲击压强在向原型引申时是否存在缩尺效应,也是工程设计十分关心的问题。论文在总结前人研究成果的基础上,对高速淹没射流形成的冲击压强的特性进行了系统研究,对冲击压强的缩尺效应问题进行了初步探讨,其主要成果总结如下: 对高速射流最大冲击压强的衰减规律的研究表明,高速淹没射流形成的底板冲击压强无量纲数与射流流程的无量纲数存在良好的直线关系,并且可以近似的认为,当射流流程大于水舌厚度的80倍以后,淹没射流产生的冲击压强可以忽略。 对冲击区压强分布规律的研究表明,高速射流时均冲击压强的无量纲数分布存在很好的自模性,近似符合正态分布,可用式(?)/(?)_m=exp(-αη~2)表示,其中α=0.7~0.8。 论文分析了在不同的流速级别下(5m/s~50m/s),挡板的最大冲击压强无量纲数的变化规律,结果表明,在不同的流速级别下,挡板的最大冲击压强无量纲数均按直线规律变化,且没有因为流速的差异导致冲击压强无量纲数的明显差异,所有的试验点均聚集在一条直线附近,说明如果不考虑其它因素(如掺气等),仅从流速大小的角度来分析,挡板的冲击压强不存在明显的缩尺效应,若将模型实验所得的最大冲击压强引用到工程中,则实际工程的最大冲击压强值不会产生明显的偏差。 通过对高、低流速下时均冲击压强分布规律的对比分析,发现高流速下的压强集中系数α值比低流速下的α值大了0.2~0.3,说明,在高流速下,底板 四少l}大学工学硕士学位论文冲击压强的分布更为集中,射流边界向两侧的扩散范围更小,若将模型试验所得的底板冲击压强的范围引用到工程上,则实际工程的冲击区范围偏小。 同时,论文应用数值方法计算了淹没冲击射流的流场,得到了流速、压强及紊动能等水力参数的详细分布情况。三维k一‘模型计算的结果与实验数据吻合良好。计算结果还表明,高、低流速下的挡板冲击压强无量纲数的变化规律一致,且大小相近。计算出的流场显示,能量耗散作用主要集中在射流主体段以及射流边界层,在高雷诺数下,与惯性力相比,流场中的粘滞力的影响已十分微弱,雷诺数的大小对挡板的冲击压强不起控制作用,因此高、低流速下形成的冲击压强的变化规律差异不显著。
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