橫流沖擊射流渦旋結構的實驗和數(shù)值研究.pdf

1、本文的研究對象為受橫流影響的沖擊射流。橫流沖擊射流近區(qū)存在射流剪切層、沖擊效應、壁射流及其與橫流的相互作用，流場中渦旋結構的形成、演化特征和渦間相互作用機制復雜，目前在國內(nèi)外尚缺乏深入研究。對橫流沖擊射流中渦旋結構隨時間、空間的發(fā)展過程及其與環(huán)境橫流、底壁邊界相互作用的研究不僅能促進其在環(huán)境工程、水電工程等實際工程問題中的應用，而且能揭示流場中各種渦結構的內(nèi)在機制和演化特征，為實施流動控制和改善流場特性提供基礎。 本文采用水槽實

2、驗與數(shù)值研究相結合對橫流沖擊射流近區(qū)流場特征和渦旋結構進行了詳細研究。實驗研究采用激光誘導熒光(LIF)流動顯示技術和PIV流場測量，主要研究環(huán)境水深、流速比等流動參數(shù)對橫流沖擊射流近區(qū)非定常流動特性和渦旋結構特征的影響；數(shù)值研究采用三維非定常大渦模擬(LES)，主要分析射流主體流動形態(tài)隨時間、空間的發(fā)展演化以及射流在橫流和底壁共同作用下形成的三維渦旋特征等，與實驗結果互為驗證和補充。 根據(jù)實驗LIF流動顯示和PIV流場測量結果

3、，沖擊射流與橫流相互作用形成的剪切層渦、射流尾跡渦、上游壁面渦和scarf渦隨流動參數(shù)的變化，表現(xiàn)出不同的非定常流動特性，而且各種渦之間存在相互作用。射流主體迎流面和背流面初始形成的剪切層渦存在三種分布形式，即近似對稱型、交替型和螺旋型。隨射流的發(fā)展，受橫流影響以及渦間相互作用，剪切渦均會發(fā)展為圍繞射流主體的螺旋型模式。迎流面剪切渦的分布較為規(guī)則，在發(fā)展過程中卷吸環(huán)境流體，渦間存在較明顯的間隙。背流面射流尾跡渦不僅有水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和拉伸

4、變形，還存在垂直平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出明顯的三維流動形態(tài)。相鄰渦存在旋轉(zhuǎn)方向相同以及旋轉(zhuǎn)方向相反的多種排列形式，在射流主體后緣還有多條尾跡渦橫向并列分布情形，其流動形態(tài)及形成機理均不同于以往研究較多的壁面邊界層與射流作用下形成的橫流尾跡渦結構。 射流到達底壁形成沖擊后在射流主體上游出現(xiàn)大尺度壁面渦結構，其擴展范圍和非定常運動特性依賴于沖擊效應和橫流影響。隨流速比的減小或環(huán)境水深的增加，壁面渦運動呈現(xiàn)較強的非定常特性。上游壁面渦在形

5、成和翻卷過程中呈現(xiàn)擬周期性的“膨脹-收縮”現(xiàn)象，并導致射流主體在接近底壁時表現(xiàn)為沿射流軸線一定范圍內(nèi)的前后擺動，其偏斜程度的變化與上游壁面渦狀態(tài)有關。壁面渦處于非定常運動狀態(tài)時，渦的垂向尺度、分離點的流向位置及與壁面接觸范圍等出現(xiàn)擬周期性變化，在旋轉(zhuǎn)運動過程中對環(huán)境橫流存在較強的卷吸作用，在其邊緣形成小尺度的渦的脫落。沖擊射流在底壁和環(huán)境橫流作用下在壁面附近區(qū)域形成圍繞射流主體以螺旋狀向下游發(fā)展的scarf渦結構，其螺旋條帶結構邊緣存在

6、成對的小渦結構。另外，實驗結果還得到各流動參數(shù)條件下壁面渦的渦心、分離點位置、垂向尺度、上游穿透距離及scarf渦的橫向影響范圍等定量特征參數(shù)，可確定橫流沖擊射流的影響區(qū)域。 在實驗研究基礎上對橫流沖擊射流流場結構進行大渦模擬，為驗證計算結果的可靠性，首先將大渦模擬結果與本文PIV流場測量結果進行定量比較，兩者吻合較好。由大渦模擬結果，受橫流剪切作用在射流主體背流面形成旋轉(zhuǎn)方向相反的渦旋對，兩渦旋呈非定常變化，其誘導的速度場及相

7、互作用導致射流主體背流面出現(xiàn)擬周期性的射流尾跡渦脫落現(xiàn)象。在射流進入環(huán)境橫流的初始發(fā)展過程中，受橫流影響，迎流面剪切層出現(xiàn)交替排列的小尺度渦，剪切渦之間出現(xiàn)較明顯間隙，背流面小尺度渦的發(fā)展相對滯后，排列形式不如迎流面規(guī)則。沖擊效應增強時，射流前緣受壓力梯度影響破碎為較小尺度均勻分布的渦，與環(huán)境流體的卷吸和混摻更為充分。射流沖擊底壁形成的scarf渦兩側(cè)螺旋狀條帶結構在形成和發(fā)展過程中存在非對稱性，向下游運動擴展過程中卷吸環(huán)境流體。環(huán)境橫