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横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性研究

作　者: 肖洋
导　师: 唐洪武
学　校: 河海大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: 横向流动多孔水平动量射流易实现k-ε紊流模型 LIF技术 PIV技术
分类号: TV131.2
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 334次
引　用: 2次
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内容摘要

横向流动条件下多孔水平动量射流是T型淹没式多孔扩散器中的一种典型的流动现象。本文在评述单孔射流和多孔射流研究现状及研究方法的基础上,使用激光诱导荧光(LIF)技术、粒子图像测速(PIV)技术和数值模拟相结合的方法观测和研究了横向流动条件下多孔水平动量射流的三维流动规律和合并、掺混特性。主要进行了以下的研究工作: 1、设计、组建了横向流动条件下多孔水平动量射流系统、激光诱导荧光浓度场测量系统和粒子图像测速系统,并结合每一项实验工作对实验过程中应注意的问题进行了讨论; 2、利用LIF、PIV测量系统对横向流动条件下多孔水平动量射流的浓度场和速度场进行了系统的测量,比较分析了不同工况下的实验结果,为紊流模型的验证和对横向流动条件下多孔水平动量射流三维流动规律物理背景的理解奠定了良好的基础; 3、基于计算流体动力学(CFD)商业代码—Fluent中的标准κ～ε模型和易实现κ～ε模型建立了数学模型,模型中整个计算区域由水槽和射流管组成,其网格剖分采用区域分解法,分别生成非均匀的结构化网格,各区域之间的信息交流采用滑动网格技术,控制方程的离散采用有限体积法,空间离散采用二次迎风插值QUICK近似方法,压力—速度耦合基于协调一致的求解压力耦合方程的半隐方法—SIMPLEC算法,并采用标准壁面函数法处理近壁区的流动; 4、结合文献[101]中的实验资料和前人的研究成果,分析了易实现κ～ε模型对横向流动条件下动量射流流场的预测能力较标准κ～ε模型略有改进的原因,而后利用易实现κ～ε模型对横向流动条件下多孔水平动量射流进行了数值模拟,通过与LIF和PIV实验结果的对比分析,验证了易实现κ～ε模型对模拟横向流动条件下多孔水平动量射流这类流动的可靠性和有效性; 5、对横向流动条件下多孔水平动量射流合并前的浓度和速度轨迹线进行了系统的研究,通过量纲分析和对实验、数值模拟结果的分析,提出了一个综合考虑射流动量、横向流速和多孔射流之间相互作用的动量长度尺度—基于平均横向有效流速的动量长度尺度l_m~*对射流浓度和速度轨迹线进行无量纲化,分别得到了射流浓度和速度轨迹线的统一表达式,即在对数坐标系下,在y/l_m<1(射流近区),所有射流的无量纲浓度和速度轨迹线y/l_m或y/l_m~*与下游距离x/l_m或x/l_m~*呈指数为1/2的指数关系,在y/l_m>1(射流远区),所有射流的无量纲浓度和速度轨迹线y/l_m或y/l_m~*与下游距离x/l_m或x/l_m~*呈指数为1/3的指数关系,而与射流与横流速度比、射流个数和射流位置无关;

全文目录

前言  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-13
符号列表  13-15
附图目录  15-19
第一章绪论  19-41
  1.1 问题的提出及工作的意义  19-22
  1.2 单孔射流的研究进展  22-30
  1.3 单孔射流的研究方法综述  30-37
  1.4 多孔射流的研究现状  37-39
  1.5 本文的主要工作  39-41
第二章实验装置的建立  41-55
  2.1 概述  41
  2.2 基本实验系统  41-45
  2.3 激光诱导荧光(LIF)系统  45-50
  2.4 粒子图像测速(PIV)系统  50-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性实验研究  55-73
  3.1 坐标定义和实验条件  55-57
  3.2 横向流动条件下多孔水平动量射流浓度场实验研究  57-64
    3.2.1 横向流动条件下多孔水平动量射流的分区  57-59
    3.2.2 射流浓度轨迹线  59-62
    3.2.3 射流浓度轨迹线上的稀释度变化  62-64
  3.3 横向流动条件下多孔水平动量射流速度场实验研究  64-68
  3.4 横向有效流速  68-71
  3.5 本章小结  71-73
第四章数学模型的建立和验证  73-91
  4.1 坐标定义和计算工况  73
  4.2 数学模型的建立  73-82
    4.2.1 控制方程  73-75
    4.2.2 壁面函数法  75-78
    4.2.3 流动定义和计算条件  78-82
  4.3 标准k~ε模型和易实现k~ε模型的计算结果对比  82-85
    4.3.1 时均流速的对比  82-83
    4.3.2 紊动强度的对比  83-85
  4.4 LIF和PIV实验结果和易实现k~ε模型计算结果对比  85-90
    4.4.1 LIF实验结果与易实现k~ε模型计算结果对比  85-89
    4.4.2 PIV实验结果与易实现k~ε模型计算结果对比  89-90
  4.5 本章小结  90-91
第五章横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性数值模拟  91-127
  5.1 射流中心平面上的射流浓度和速度轨迹线  91-100
  5.2 射流不同截面内的速度分布  100-105
    5.2.1 射流中心平面(z=0)上纵向水流速度-x向速度u的分布  100-101
    5.2.2 射流中心平面(z=0)上横向速度-y向速度v的分布  101-103
    5.2.3 射流中心平面(z=0)内的流迹线变化  103-104
    5.2.4 射流中心平面上的平均流速分布  104-105
  5.3 射流的肾形反向涡对结构  105-113
  5.4 射流的马蹄形结构  113-119
  5.5 射流不同截面内的压强场特性  119-125
    5.5.1 射流中心平面上的无量纲动态压强分布  119-121
    5.5.2 纵向截面(x-z平面)上的无量纲动态压强分布  121-123
    5.5.3 横向截面(y-z平面)上的无量纲动态压强分布  123-125
  5.6 本章小结  125-127
第六章结论与展望  127-131
  6.1 全文总结  127-129
  6.2 有待进一步研究的问题  129-131
参考文献  131-137
致谢  137-139
附录  139-141
附图  141-145

横向流动条件下多孔水平动量射流掺混特性研究

内容摘要

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