船閘分散輸水系統(tǒng)多孔壁面射流摻混特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、船閘是內(nèi)河水運(yùn)交通中不可分割的一部分，是實(shí)現(xiàn)河流渠化的通航建筑主要型式之一。而輸水系統(tǒng)是控制船閘可靠和高效運(yùn)行的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響到船閘建設(shè)的成敗。分散輸水系統(tǒng)多孔壁面射流是船閘中常見的水動力學(xué)問題，其摻混特性的研究對船舶停泊安全有著重要意義。然而船閘分散輸水系統(tǒng)型多孔壁面射流不僅僅需要考慮三維壁面射流的情況，還要考慮更加復(fù)雜的邊界條件。目前關(guān)于分散式輸水系統(tǒng)中多孔壁面射流間以及射流同環(huán)境水體的摻混作用的相關(guān)研究成果還較少。

2、為探明其摻混特性，本文利用FLUENT軟件建立了單孔以及并行雙孔的三維壁面射流數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51509027)中的物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定采用RSM紊流模型及IPSO算法等進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過對主要流動范圍內(nèi)面積紊動強(qiáng)度和射流對稱面徑向速度沿程分布兩方面對射流摻混特性進(jìn)行研究，得出主要成果及結(jié)論如下:
　　1.基于紊動強(qiáng)度的概念，本文提出了面積紊動強(qiáng)度IA的概念，定義為脈動流速均方根與時(shí)均速度在整個平面內(nèi)

3、的比值。
　　2.研究發(fā)現(xiàn)徑孔比（徑向距離與孔間距的比值）對閘室摻混有著重要意義，具體如下:
　　(1)當(dāng)徑孔比D/d≥20時(shí)，匯聚區(qū)極短，兩股射流在入射初始很快就形成單股射流，隨后繼續(xù)沿程發(fā)展。雙孔射流對稱面徑向速度分布特性以及其面積紊動強(qiáng)度IA在展向和徑向的分布均與相應(yīng)單孔條件時(shí)具有顯著的相似性，且這種相似性隨著徑孔比的增大愈加強(qiáng)烈。而雙孔射流與水體的摻混作用反而比相應(yīng)單孔射流條件時(shí)弱。
　　(2)當(dāng)徑孔比10＜D

4、/d＜20時(shí)，雙孔射流的匯聚區(qū)很短，兩股射流間在聯(lián)合前的摻混作用弱。在入射初始時(shí)，射流對稱面徑向速度分布呈近乎平行于壁面的直線狀，速度沿程逐漸增大，隨后呈現(xiàn)出單孔射流時(shí)對稱面徑向速度沿程分布趨勢。隨著徑孔比的減小，徑向面積紊動強(qiáng)度IA發(fā)展趨勢變陡，而面積紊動強(qiáng)度IA在展向的分布由“V”狀逐漸過渡到“W”狀。
　　(3)當(dāng)孔徑比4≤D/d≤10時(shí)，經(jīng)過一定的發(fā)展后，射流對稱面徑向速度分布才呈現(xiàn)出單孔射流的速度沿程分布特性。且隨徑孔比

5、的減小，開始呈現(xiàn)單孔射流速度分布特性的特征位置向射流方向移動，即雙孔射流間相互摻混區(qū)域延長，徑向和展向摻混強(qiáng)度均加強(qiáng)，此時(shí)展向面積紊動強(qiáng)度IA分布呈“W”狀。
　　(4)當(dāng)徑孔比D/d＜4時(shí)，雙孔射流并沒有形成聯(lián)合，而是各自沿程充分發(fā)展，分別呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的單孔射流時(shí)的流動特性。隨著徑孔比的減小，這種特性越強(qiáng)烈。此時(shí)，兩股射流與環(huán)境水體間摻混作用強(qiáng)烈，而射流間摻混作用相對而言較小。展向面積紊動強(qiáng)度IA在各射孔中心分別呈現(xiàn)出典型的單孔射