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同向流动环境中的椭圆射流水力特性实验研究

作　者: Hakem Mebarka（沐芭喀）
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: 椭圆射流同向流动 LIF技术掺混特性数值模拟
分类号: TV131.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

圆射流和平面射流是两类经常能够见到的简单射流形式,而椭圆射流则是介于前两者之间的一类射流。尽管只有喷口几何形状上存在差异(主次轴不同),却使得椭圆射流问题变得更加复杂。对椭圆射流的细致研究拓展了人们对射流问题的认识,尤其是射流中相干结构的认识。在燃烧和推力系统设计中,椭圆射流已经是一种常用的形式。而在环境工程中,椭圆射流也正在成为一种被广泛采用的能够迅速提高污水稀释效果的被动排放形式。本研究主要探讨同向流动(coflowing)环境中,具有不同射流比(velocity ratio)和喷口高宽比(aspect ratio—AR)的椭圆射流掺混特性。采用激光诱导荧光技术(laserinduced fluorescence—LIF)和“可实现”(realizable)k-ε模型,通过实验的和数值的方法对同向流动环境中的椭圆射流进行了系统研究。采用LIF技术对同向流动环境中的射流标量浓度场进行了可视化和定量化,使用同向流动环境中的圆射流特性作为实验系统运行可靠性的验证依据。研究了射流场中心线稀释度,射流扩展宽度,下游不同断面上的时均浓度和紊动统计量分布。相对于圆射流,采用了具有中等和较高高宽比(AR=3,6和10)的椭圆喷口。研究结果表明,当出口超值动量相同时,相比于圆射流,椭圆射流具有更好的掺混稀释效果。同时实验也揭示了轴变换现象,表现为随着射流的发展,射流的主次轴位置发生改变,并由椭圆截面形状逐步发展为圆截面。对不同速度比下的时均量和紊动量做了细致的研究,当x/D≥1,主次轴平面内的浓度分布可以用Gaussian分布很好地近似,而紊动强度断面分布则呈现了类似的双峰形状。以前的绝大多数研究主要是射流混合特性的实验研究,本研究的另外一个主要目标是建立同向流动环境中椭圆射流的数值模型,并对比了数值预测与实验结果,前者得到了后者有力的支持。更进一步,通过数值模型,得到了浓度半宽与速度半宽的的比率λ(λ=bgc/bg),λ取值为1.18。

全文目录

ABSTRACT (ENGLISH)  5-7
ABSTRACT (CHINESE)  7-8
DEDICATION  8-9
ACKNOWLEDGEMENT  9-11
TABLE OF CONTENTS  11-14
LIST OF FIGURES AND TABLES  14-17
LIST OF SYMBOLS  17-18
CHAPTER 1. INTRODUCTION  18-21
  1.1 Background  18-19
  1.2 Scope of Present Investigation  19-21
CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW  21-39
  2.1 Theory of Turbulent Jets and Plumes  21-28
    2.1.1 Gaussian Profile  27-28
  2.2 Dimensional Analysis  28-31
    2.2.1 Jet and Ambient flow Variables  28-29
    2.2.2 Length Scale Associated with The Independent Variables  29-31
    2.2.3 Centerline Dilution  31
  2.3 Two and three dimensional jet flow  31-32
  2.4 Previous Investigations on Elliptical jets  32-39
    2.4.1 Elliptical nozzles  32-33
    2.4.2 Enhanced jet mixing  33
    2.4.3 Axis Switching, Mass entrainment and Vortex induction of elliptic jet  33-36
      2.4.3.1 Axis Switching and Mass Entrainment  33-35
      2.4.3.2 Vortex Induction  35-36
    2.4.4 Velocity Field of Elliptic Jet  36-37
    2.4.5 Elliptical Jet Instability  37
    2.4.6 Coherent Structure Pairing of Elliptic Jet  37-39
CHAPTER 3. EXPERIMENTAL STUDY ON ELLIPTICAL JET  39-52
  3.1 The theory of flow visualization  39-40
  3.2 LIF experimental setup and apparatus  40-48
    3.2.1 General Flow Setup  41-42
      3.2.1.1 Flume  41-42
      3.2.1.2 Jet Discharge system  42
    3.2.2 Flow visualization and recording system Tracer  42-48
      3.2.2.1 Tracer  43-44
      3.2.2.2 Video Recording System  44
      3.2.2.3 Other Laboratory apparatus  44-48
  3.3 Experimental Procedure  48-50
    3.3.1 Linearity of the imaging system  48-49
    3.3.2 Calibration of LIF image  49
    3.3.3 Circular Jet in Coflow  49-50
    3.3.4 Elliptical jet in coflow  50
  3.4 Concentration conversion  50-51
  3.5 Conclusion  51-52
CHAPTER 4. ELLIPTICAL JET EXPERIMENTAL STUDY RESULTS  52-94
  PART 1: EXPERIMENTAL RESULTS  52-84
    4.1 Validation of LIF System  52-56
    4.2 Experimental conditions  56-61
    4.3 Experiment investigation finding  61-84
      4.3.1 Mean Concentration profile  61-70
      4.3.2 Turbulence Characteristics profile  70-76
        4.3.2.1 R.M.S Concentration fluctuation profile  70-76
      4.3.3 Centerline Dilution of Elliptical Jet  76-81
        4.3.3.1 Centerline concentration decay of coflowing jet by dimensional analysis  76-77
        4.3.3.2 Centerline Dilution with the Same Momentum Flux  77-79
        4.3.3.3 Centerline Dilution with the same Velocity ratio R  79-81
      4.3.4 Concentration half-width and axis switching  81-82
      4.3.5 Centerline Concentration decay  82-84
  PART 2: NUMERICAL MODEL AND RESULTS  84-94
    4.4 Introduction  84-86
      4.4.1 k-ε Model Overview  84-86
    4.5 Numerical predictions Conditions  86-87
    4.6 Comparison of numerical and experimental results  87-93
    4.7 Summary remarks  93-94
CHAPTER 5. CONCLUSIONS  94-97
  5.1 Summary of the Previous Work  94-95
  5.2 Suggestion for the Future Work  95-97
REFERENCES  97-102
PUBLICATIONS  102

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