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横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究

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文摘

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原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

§1.1研究背景及意义

§1.2目前研究进展

1.2.1静止流体中的自由射流

1.2.2横流环境中的射流

1.2.3冲击射流

1.2.4横流冲击射流

§1.3本文主要研究内容

第二章实验仪器设备与测量分析方法

§2.1概述

§2.2实验水槽及射流装置

§2.3实验流体及测量方法

§2.4粒子图像速度仪(PIV)

2.4.1 PIV技术简介

2.4.2 PIV图像的相关性分析

2.4.3本实验PIV介绍

§2.5实验参数与工况

§2.6本章小结

第三章实验结果及分析

§3.1概述

§3.2横流冲击射流实验结果与分析

3.2.1剪切涡

3.2.1射流尾迹涡

3.2.3上游壁面涡及scarf涡

§3.3本章小结

第四章横流冲击射流的数值计算方法

§4.1概述

§4.2大涡模拟方法介绍

4.2.1控制方程

4.2.2亚网格尺度模型

§4.3初始条件与边界条件

4.3.1 RNG k-ε模型

4.3.2初始条件

4.3.3边界条件

§4.4计算区域和网格

4.4.1计算区域

4.4.2计算网格

§4.5计算结果验证

§4.6本章小结

第五章计算结果与分析

§5.1概述

§5.2射流主体附近区域流动特征

5.2.1射流主体附近区域内部结构

5.2.2射流主体对底壁的冲击效应

5.2.3射流出口中心线速度分布

§5.3射流主体初始演化特征

§5.4射流主体背流面涡旋演化特征及射流尾迹涡的形成机理

5.4.1射流主体背流面涡旋演化特征

5.4.2射流尾迹涡脱落机理分析

§5.5三维流动与涡旋结构特征

5.5.1射流出口剪切层

5.5.2三维涡旋结构

§5.6本章小结

第六章结论

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的论文

致谢

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摘要

本文的研究对象为受横流影响的冲击射流。横流冲击射流近区存在射流剪切层、冲击效应、壁射流及其与横流的相互作用,流场中涡旋结构的形成、演化特征和涡间相互作用机制复杂,目前在国内外尚缺乏深入研究。对横流冲击射流中涡旋结构随时间、空间的发展过程及其与环境横流、底壁边界相互作用的研究不仅能促进其在环境工程、水电工程等实际工程问题中的应用,而且能揭示流场中各种涡结构的内在机制和演化特征,为实施流动控制和改善流场特性提供基础。 本文采用水槽实验与数值研究相结合对横流冲击射流近区流场特征和涡旋结构进行了详细研究。实验研究采用激光诱导荧光(LIF)流动显示技术和PIV流场测量,主要研究环境水深、流速比等流动参数对横流冲击射流近区非定常流动特性和涡旋结构特征的影响;数值研究采用三维非定常大涡模拟(LES),主要分析射流主体流动形态随时间、空间的发展演化以及射流在横流和底壁共同作用下形成的三维涡旋特征等,与实验结果互为验证和补充。 根据实验LIF流动显示和PIV流场测量结果,冲击射流与横流相互作用形成的剪切层涡、射流尾迹涡、上游壁面涡和scarf涡随流动参数的变化,表现出不同的非定常流动特性,而且各种涡之间存在相互作用。射流主体迎流面和背流面初始形成的剪切层涡存在三种分布形式,即近似对称型、交替型和螺旋型。随射流的发展,受横流影响以及涡间相互作用,剪切涡均会发展为围绕射流主体的螺旋型模式。迎流面剪切涡的分布较为规则,在发展过程中卷吸环境流体,涡间存在较明显的间隙。背流面射流尾迹涡不仅有水平面内的旋转和拉伸变形,还存在垂直平面内的扭转,表现出明显的三维流动形态。相邻涡存在旋转方向相同以及旋转方向相反的多种排列形式,在射流主体后缘还有多条尾迹涡横向并列分布情形,其流动形态及形成机理均不同于以往研究较多的壁面边界层与射流作用下形成的横流尾迹涡结构。 射流到达底壁形成冲击后在射流主体上游出现大尺度壁面涡结构,其扩展范围和非定常运动特性依赖于冲击效应和横流影响。随流速比的减小或环境水深的增加,壁面涡运动呈现较强的非定常特性。上游壁面涡在形成和翻卷过程中呈现拟周期性的“膨胀-收缩”现象,并导致射流主体在接近底壁时表现为沿射流轴线一定范围内的前后摆动,其偏斜程度的变化与上游壁面涡状态有关。壁面涡处于非定常运动状态时,涡的垂向尺度、分离点的流向位置及与壁面接触范围等出现拟周期性变化,在旋转运动过程中对环境横流存在较强的卷吸作用,在其边缘形成小尺度的涡的脱落。冲击射流在底壁和环境横流作用下在壁面附近区域形成围绕射流主体以螺旋状向下游发展的scarf涡结构,其螺旋条带结构边缘存在成对的小涡结构。另外,实验结果还得到各流动参数条件下壁面涡的涡心、分离点位置、垂向尺度、上游穿透距离及scarf涡的横向影响范围等定量特征参数,可确定横流冲击射流的影响区域。 在实验研究基础上对横流冲击射流流场结构进行大涡模拟,为验证计算结果的可靠性,首先将大涡模拟结果与本文PIV流场测量结果进行定量比较,两者吻合较好。由大涡模拟结果,受横流剪切作用在射流主体背流面形成旋转方向相反的涡旋对,两涡旋呈非定常变化,其诱导的速度场及相互作用导致射流主体背流面出现拟周期性的射流尾迹涡脱落现象。在射流进入环境横流的初始发展过程中,受横流影响,迎流面剪切层出现交替排列的小尺度涡,剪切涡之间出现较明显间隙,背流面小尺度涡的发展相对滞后,排列形式不如迎流面规则。冲击效应增强时,射流前缘受压力梯度影响破碎为较小尺度均匀分布的涡,与环境流体的卷吸和混掺更为充分。射流冲击底壁形成的scarf涡两侧螺旋状条带结构在形成和发展过程中存在非对称性,向下游运动扩展过程中卷吸环境流体。环境横流会附着在scarf涡的条带结构表面而非与其完全掺混。

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