不同動(dòng)力環(huán)境下孔間距對雙孔射流特性的影響

江東勃，陳永平，田萬青，孫　樸，王婭娜

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

不同動(dòng)力環(huán)境下孔間距對雙孔射流特性的影響

江東勃，陳永平，田萬青，孫樸，王婭娜

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

為研究孔間距對雙孔射流運(yùn)動(dòng)和稀釋特性的影響，采用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）分別對靜水、橫流和波浪環(huán)境下雙孔射流的速度場和濃度場進(jìn)行測量，對比分析了孔間距為5倍、10倍和15倍射流孔直徑時(shí)雙孔射流的軸向速度、橫斷面垂向速度、軌跡線及濃度場分布情況。結(jié)果表明：在靜水環(huán)境下，孔間距較小時(shí)雙孔射流的軸向速度衰減較單孔射流慢，隨著孔間距的增大雙孔射流軸向速度衰減的程度逐漸趨近于單孔射流。在橫流環(huán)境下，隨著孔間距的增大，前方射流對后方射流的遮掩作用不斷減小，而后方對前方射流的卷吸作用也有所減弱，導(dǎo)致前方射流彎曲程度的增大和后方射流上升高度的降低。在波浪環(huán)境下，孔間距較小時(shí)，兩孔中間存在一個(gè)獨(dú)立的高濃度區(qū)；孔間距增大后，濃度等值線逐漸呈“凸”形分布。為降低雙孔射流相互作用對射流初始稀釋的影響，建議在波浪和橫流環(huán)境下雙孔射流的孔間距不宜小于射流孔直徑的10倍。

雙孔射流；孔間距；橫流；波浪；速度場；濃度場

沿海地區(qū)污水處理廠的達(dá)標(biāo)尾水通常經(jīng)海底管道由擴(kuò)散器向深海排放［1］。當(dāng)尾水離開擴(kuò)散器后，將以射流形式向前行進(jìn)，并與周圍的海水發(fā)生強(qiáng)烈摻混，尾水中污染物質(zhì)的濃度沿程降低。在實(shí)際排放工程中，為了在有限的混合區(qū)內(nèi)盡快降低尾水中污染物的濃度，往往采用2個(gè)或多個(gè)噴頭進(jìn)行排放，由此形成雙孔或多孔射流。為了達(dá)到比較理想的排放效果，雙孔或多孔射流的孔間距不宜過大，也不宜過?。哼^大則有可能形成多個(gè)分散的混合區(qū)，過小則相鄰孔之間的射流相互約束，各孔射流的初始稀釋效率明顯降低［2］。由此看出，孔間距的大小對于雙孔或多孔射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散特性的影響非常明顯。

以往針對雙孔或多孔射流的研究多在比較簡單的環(huán)境如靜水［3］或橫流［4-5］中進(jìn)行，且研究的重點(diǎn)為相鄰孔口射流之間的相互作用機(jī)制，對孔間距的影響研究不夠系統(tǒng)。在實(shí)際海域中，射流除了受橫流作用外，還受到波浪的影響，根據(jù)前人的研究［6-8］，單孔射流在波浪環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性與在靜水或橫流環(huán)境有著顯著的不同，稀釋效果也存在較大的差異，由此可以推斷，雙孔射流在波浪環(huán)境下的表現(xiàn)也應(yīng)具有一定的獨(dú)特性。為了掌握不同動(dòng)力環(huán)境下孔間距對雙孔射流特性的影響，筆者分別開展了靜水、橫流和波浪環(huán)境下雙孔射流的試驗(yàn)研究，通過分析不同孔間距條件下射流的速度場和濃度場，以確定不同動(dòng)力環(huán)境下雙孔射流特有的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散機(jī)制，為沿海排放工程中雙孔或多孔排放工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工況

1.1試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在河海大學(xué)波流實(shí)驗(yàn)水槽（圖1）中進(jìn)行，該水槽長46.0 m，寬0.5 m，高1.0 m，水槽壁面為鋼化玻璃。水槽的初始端為造波機(jī)，能夠產(chǎn)生試驗(yàn)所需的各種類型波浪，尾端布置了由碎石塊組成的消波裝置，可以有效減小波浪反射的影響。造波機(jī)基于推波板式的工作原理，最高可生成波高為0.2 m、波周期為0.6～2.5 s的波浪。2臺(tái)放置于地下水庫的潛水泵抽水進(jìn)入水槽側(cè)邊的整流池，在兩端閥門和后端三角堰的配合下，產(chǎn)生一定速度的水流，最大流速為0.25 m/s。試驗(yàn)區(qū)域位于水槽中部，該區(qū)域流態(tài)較穩(wěn)定，受造波機(jī)和波浪反射的影響相對較小。試驗(yàn)中，射流前進(jìn)管尾端接射流源，4個(gè)射流管位于射流前進(jìn)管的前端部分，第1個(gè)射流孔到前進(jìn)管最前端的距離為20 cm，整個(gè)前進(jìn)管長度為2 m，橫斷面尺寸為50 mm×50 mm。射流孔直徑D= 10 mm，射流管的長度為50 mm，2個(gè)射流孔的距離為50 mm。沿水流前進(jìn)的方向依次為孔1、孔2、孔3、孔4。打開的孔口為孔1、孔2時(shí)，孔間距S=5D；打開的孔口為孔1、孔3時(shí)，孔間距S=10D；打開的孔口為孔1、孔4時(shí)，孔間距S=15D。為了方便處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將x軸、z軸的起始點(diǎn)均設(shè)置在孔1中心處。試驗(yàn)觀測范圍為-10 cm＜x＜35 cm，-2 cm＜z＜35 cm的矩形區(qū)域（即圖1虛線框部分）。

1.2試驗(yàn)工況

為了研究射流孔間距對雙孔射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散特性的影響，先后開展了靜水、橫流及波浪3種動(dòng)力環(huán)境下雙孔射流的試驗(yàn)。試驗(yàn)中波流水槽靜止水深為50cm。分別采用PIV和PLIF系統(tǒng)對射流的速度場和濃度場進(jìn)行了測量，所用的染色劑為Rhodamine 6G，射流初始質(zhì)量濃度為0.1 mg/L，拍攝頻率為7.25 Hz。所有工況的拍攝時(shí)間均為80 s。通過計(jì)算拍攝時(shí)間內(nèi)的速度和質(zhì)量濃度的時(shí)均值，可以消除射流管內(nèi)水流紊動(dòng)的影響［9］。在控制閥門和射流前進(jìn)管之間安裝有轉(zhuǎn)子流量計(jì)，用于控制和測定試驗(yàn)中的射流流量，表1中的射流初始速度由此流量推算得到。需要說明的是由PIV直接測量的射流出口速度略小于該值，這可能是由于PIV視窗拍攝范圍選取較大，而出口處流速變化較快，因此在射流出口處的量測精度相對偏低。通過對靜水環(huán)境下單孔射流（工況S-0，開啟的孔口為孔1）的研究發(fā)現(xiàn)，在距射流口6D的高度上，PIV測量結(jié)果與經(jīng)典的理論值［10］吻合很好，因此在后續(xù)的研究中分析高度6D以上的測量結(jié)果。所有試驗(yàn)組次中射流出口的雷諾數(shù)均大于自由射流出口的臨界雷諾數(shù)［11］。

圖1　試驗(yàn)裝置及觀測范圍

表1　不同動(dòng)力環(huán)境下雙孔射流試驗(yàn)組次

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1靜水環(huán)境下的雙孔射流

射流在上升過程中，射流主體與環(huán)境水體之間不停地?fù)交旌途砦沟蒙淞魉俣炔粩鄿p小。與單孔射流不同的是，雙孔射流只有外側(cè)與環(huán)境水體進(jìn)行摻混和卷吸，內(nèi)側(cè)的擴(kuò)散則受到了另外一股射流的制約，使得雙孔射流的速度衰減與單孔射流有著一定的區(qū)別。隨著孔間距的增大，射流與環(huán)境水體之間的卷吸摻混越來越強(qiáng)，并逐漸成為射流速度衰減的主導(dǎo)因素。

圖2為靜水環(huán)境下不同工況雙孔射流中第1個(gè)孔的射流口軸向速度衰減曲線，圖中uc為射流口正上方任意橫斷面中心處的軸向速度，u0為射流出口的初始速度，試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱化處理。從圖2可以看出，靜水條件下雙孔射流與單孔射流的軸向速度均沿軸向發(fā)生衰減，但雙孔射流的衰減速度比單孔射流慢。當(dāng)孔間距較?。⊿=5D）時(shí)，速度衰減的反比關(guān)系并不是很明顯，這是由于雙孔中另外一個(gè)射流的存在，使得射流兩側(cè)受力并不均衡，射流之間的反向渦對減緩了射流軸向速度的衰減，且射流上升到某一位置時(shí)2股射流已經(jīng)發(fā)生了混合，因此射流的軸向速度衰減與單孔射流存在一定的差別。隨著孔間距的增大（S=10D，15D），雙孔射流的軸向速度衰減明顯加快，速度分布規(guī)律也越來越接近于單孔射流的經(jīng)典理論關(guān)系［10］?？梢酝茰y，當(dāng)射流的孔間距進(jìn)一步增大時(shí)，2股射流的相互影響將明顯降低，雙孔射流的軸向速度衰減規(guī)律也將與單孔射流保持一致。

圖3為靜水條件下垂向速度u在雙孔射流口上方4個(gè)斷面（射流口上方與4個(gè)孔口平行的橫斷面）的分布情況，各斷面到射流口的距離分別為6D、11D、16D、21D。從圖3可知，雙孔射流的每孔垂向速度均保持為較好的高斯分布，這與前人觀測到的結(jié)果基本一致［12］。當(dāng)孔間距較?。⊿=5D）時(shí)，在距離射流口11D的橫斷面上2股射流發(fā)生了較為明顯的混合；當(dāng)孔間距較大（S=10D，15D）時(shí)，2股射流間的混合已不明顯。注意到雙孔射流2個(gè)射流孔的出口流速并不相等，這種現(xiàn)象在前人的研究［13］中有所提及，但并未給出清晰的解釋。經(jīng)分析，試驗(yàn)中出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能有2個(gè)原因：①射流在前進(jìn)管中存在著能量損失，使得射流在前進(jìn)過程中速度逐漸減小；②在本試驗(yàn)中，前進(jìn)管的截面尺寸為50 mm× 50 mm，其截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2個(gè)孔的截面積之和157 mm2，前進(jìn)管中的射流在經(jīng)過射流口時(shí)只有一小部分通過射流口射出，其余的大部分由于慣性將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，因此在前進(jìn)管的最前端部分存在這一個(gè)高壓區(qū)，這會(huì)使得第1個(gè)射流口的出口速度偏大。

圖4為靜水環(huán)境下3種工況的射流濃度等值線，圖中數(shù)值為相對濃度，即實(shí)測濃度C與初始濃度C0的比值。從不同工況的濃度等值線分布可以看出，隨著孔間距的增大，2股射流的混合起始點(diǎn)（濃度分布圖上2股射流混合成1股的位置，即圖4（a）（b）（c）中2股射流之間相對濃度分別為0.5、0.3、0.2的等值線頂部）的濃度越來越低。就單個(gè)射流的軸向濃度來看，在距離射流孔口上方20D的范圍內(nèi)，射流孔1的濃度均比孔2衰減慢，這與速度的衰減規(guī)律是一致的。此外，隨著孔間距的增大，同樣高度處的濃度值也在緩慢降低，說明增大孔間距可以降低雙孔射流相互作用對射流初始稀釋過程的影響。

圖2　靜水環(huán)境下不同工況射流軸向速度衰減曲線

圖3　不同孔間距時(shí)靜水射流橫斷面垂向流速分布

圖4　靜水環(huán)境下3種工況的射流濃度等值線

2.2橫流環(huán)境下的雙孔射流

為研究橫流中雙孔射流的速度場，共進(jìn)行了7組試驗(yàn)（試驗(yàn)組次見表1），主要研究內(nèi)容為橫流作用下雙孔射流的軌跡線形態(tài)特征及雙孔射流軌跡線混合點(diǎn)與環(huán)境變量之間的定量關(guān)系。圖5為橫流環(huán)境下工況C-1、C-2、C-3雙孔射流的軌跡線。從圖5可以看出，隨著孔間距的增大，第1個(gè)孔的彎曲程度明顯增加，其原因是第2個(gè)孔對第1個(gè)孔卷吸作用減弱，導(dǎo)致第1個(gè)孔軸向速度衰減加快，對橫流的“阻擋”作用有所減弱；同時(shí)也注意到第2個(gè)孔直線上升的高度越來越低，軌跡線也越來越彎曲，這主要是因?yàn)榈?個(gè)孔對第2個(gè)孔的遮掩作用有所減弱，使得第2個(gè)孔的射流有機(jī)會(huì)卷吸更多的環(huán)境水體，當(dāng)2股射流匯合成1股射流后共同前進(jìn)的高度隨之降低［4］。需要說明的是，本項(xiàng)研究主要針對孔間距對雙孔射流特性的相對變化進(jìn)行研究，橫流環(huán)境下的射流不同于靜水環(huán)境下的射流主要體現(xiàn)在軌跡線的隨流偏轉(zhuǎn)，為了簡化問題，在分析的過程忽略了前后2個(gè)孔射流出口流速間的偏差所帶來的影響。

圖5　橫流環(huán)境下3種試驗(yàn)工況的雙孔射流軌跡線

在橫流作用下，雙孔射流軌跡線的彎曲主要受流速比α（射流出口的初始速度u0與橫流速度ua之比）和孔間距S的影響［14］，而衡量多孔射流摻混稀釋特性的一個(gè)很重要指標(biāo)為射流完全混合點(diǎn)（full merge point）到射流出口的距離Xfm，目前針對雙孔射流的Xfm缺少一個(gè)定量的公式對其進(jìn)行預(yù)測。為此，參照Moawad等［15］的處理方法，以S/（αD）為橫坐標(biāo)，Xfm/（αD）為縱坐標(biāo)，將全部7組試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制在坐標(biāo)系中，結(jié)果見圖6。文中，在某一S/（αD）后2股射流的軌跡線斜率相差小于10%，即認(rèn)為該S/（αD）對應(yīng)的點(diǎn)為2股射流的完全混合點(diǎn)。通過曲線擬合，Xfm與α、S呈如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

圖6 射流匯合點(diǎn)與試驗(yàn)變量的關(guān)系

圖7為橫流環(huán)境下3種工況（C-1，C-2和C-3）的射流濃度等值線。從圖7可以看出，隨著孔間距的增大，第2個(gè)射流的彎曲程度越來越大，2股射流混合后上升的高度也越來越低，這與射流軌跡線呈現(xiàn)出的規(guī)律一致（圖5）。從單個(gè)濃度區(qū)間分布范圍來看，孔間距較小時(shí)，單個(gè)濃度區(qū)間分布范圍較寬，主要是因?yàn)榭组g距較小時(shí)2股射流混合較快，射流的疊加使得其擴(kuò)散到相同程度需要更大的區(qū)域。從測量區(qū)域右側(cè)邊界的濃度來看，隨著孔間距的增大，觀測區(qū)域右側(cè)邊界上濃度等值線的間距有縮窄的趨勢，這是因?yàn)榭组g距擴(kuò)大之后雙孔射流逐漸接近于2個(gè)獨(dú)立的單孔射流，前方射流對后方射流的“遮掩”作用越來越弱，不利于后方射流的上升。當(dāng)孔間距為10D和15D時(shí)，觀測區(qū)域右側(cè)濃度分布較為相似，說明當(dāng)孔間距大于10D后，孔間距對各孔濃度的初始稀釋過程影響相對較小。

圖7　橫流環(huán)境下3種工況的雙孔射流濃度等值線

2.3波浪環(huán)境下的雙孔射流

圖8為波浪環(huán)境下3組試驗(yàn)工況（W-1，W-2和W-3）的射流橫斷面垂向流速分布。將其與圖3對比可知，波浪環(huán)境下射流的展寬明顯比靜水環(huán)境下寬很多，不同斷面處的速度分布的相似性也比靜水環(huán)境下差很多。就單孔射流而言，波浪的質(zhì)點(diǎn)左右擺動(dòng)加劇了射流水體在水平方向的擴(kuò)散，射流軸線處速度較大的水體逐步向兩側(cè)擴(kuò)散，射流速度在橫斷面上呈現(xiàn)“雙峰”分布的現(xiàn)象［6，16］。在雙孔射流的情形下，當(dāng)雙孔間距較?。⊿=5D）時(shí)，由于兩孔射流之間的相互作用，速度峰值出現(xiàn)在兩孔之間的位置，在其兩側(cè)出現(xiàn)了2個(gè)相對較小的峰值；隨著孔間距的增大（S=10D，15D），各自射流的上方均出現(xiàn)了類似于單孔射流的“雙峰”分布的現(xiàn)象，隨著橫斷面高度的上升，射流之間相互融合，橫斷面垂向流速呈扁平狀分布。

圖8　波浪環(huán)境下3種試驗(yàn)工況的射流橫斷面垂向流速分布

圖9 波浪環(huán)境下3種試驗(yàn)工況的濃度等值線及速度場

圖9為波浪環(huán)境下上述3種試驗(yàn)工況的濃度等值線和速度場，圖中濃度值為相對濃度，速度矢量的長度與其絕對速度的大小成正比。與靜水環(huán)境下的射流對比可知，波浪的存在使得射流的初始稀釋程度明顯增強(qiáng)。隨著孔間距的增大，測量區(qū)域相同高度處的軸向平均速度和濃度均相應(yīng)減小，這主要是由于孔間距的增大使得2股射流的疊加區(qū)域變小，這與靜水環(huán)境下孔間距對射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散特性的影響一致。從速度場和濃度場的對應(yīng)分布來看，在圖8（a）及圖9（a）中z=11D的橫斷面上，兩孔間的速度明顯大于兩側(cè)，在圖9（a）中的對應(yīng)區(qū)域則存在著一個(gè)獨(dú)立的高濃度區(qū)，而當(dāng)孔間距為15D時(shí)，z=11D和z=16D斷面上兩孔中間速度值較小，但濃度值卻較大。經(jīng)分析出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)椋寒?dāng)孔間距為5D時(shí)，該區(qū)域2股射流已經(jīng)開始混合，水體紊動(dòng)也更加強(qiáng)烈，速度的疊加使得該處濃度值較高；當(dāng)孔間距為15D時(shí)，2股射流在z=11D附近開始混合，波浪的水平速度能夠?qū)⑸淞髦虚g濃度較高的部分向兩側(cè)輸移并在x/D=7.5附近疊加，因此該處濃度、射流分布寬度增大，另外速度矢量圖也顯示出該區(qū)域時(shí)均速度非常小，不利于物質(zhì)的稀釋和擴(kuò)散。此外，孔間距從5D增大到15D時(shí)，流場中的獨(dú)立高濃度區(qū)逐漸消失，2股射流的中間部分區(qū)域則呈現(xiàn)出“凸”形分布，其原因可以解釋為，孔間距增大后，2股射流的濃度等值線越來越相似，說明射流的相互影響越來越小，開始混合、疊加的位置也越來越高，在“凸”形分布的上半部分正是2股射流開始混合的位置，混合后射流的疊加使得該處呈“凸”形分布。

3　結(jié) 論

本文運(yùn)用PIV和PLIF技術(shù)對靜水、橫流、波浪環(huán)境下的垂向圓管雙孔射流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以探究不同孔間距對雙孔射流運(yùn)動(dòng)特性的影響。在試驗(yàn)中，射流孔間距分別設(shè)置為5D、10D、15D，通過對比測量結(jié)果，分析了不同工況下的射流軸線速度衰減、濃度場及孔間距對射流擴(kuò)散稀釋特性的影響，得到了以下幾個(gè)主要結(jié)論：①在靜水環(huán)境下，雙孔射流的軸向速度衰減比單孔射流慢，隨著孔間距的增大，雙孔射流的速度衰減有所加快，并逐漸趨近于單孔射流；②在橫流作用下，隨著孔間距的增大，前方射流對后方射流的遮掩作用不斷降低，這會(huì)使得第2個(gè)孔射流上升高度的減小和2股射流匯合成1股射流后共同上升高度的降低；③在波浪環(huán)境下，孔間距較小時(shí)兩孔中間存在著一個(gè)獨(dú)立的高濃度區(qū)，隨著孔間距的增大兩孔中間部分區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)“凸”形分布；④綜合所有組次的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在靜水環(huán)境下，孔間距大于10D之后，2股射流基本沒有相互影響，而在橫流和波浪環(huán)境下，孔間距大于10D之后，2股射流之間的影響也比較微弱。考慮到實(shí)際海域動(dòng)力要素的復(fù)雜性，實(shí)際海域中多孔污水排海射流的孔間距宜在10D以上，以降低不同射流之間相互作用對射流初始稀釋過程的影響。

需要指出的是，本文試驗(yàn)組次相對較少，且只研究了孔間距對雙孔射流的影響，后期可以進(jìn)一步增加孔口的數(shù)目，研究孔間距對多孔射流的影響。

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Influence of jet spacing on dual jets in different environments

JIANG Dongbo，CHEN Yongping，TIAN Wanqing，SUN Pu，WANG Yana
（College of Harbor Coastal&Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

In order to study the influence of jet spacing on the hydrodynamic and dilution characteristics of dual jets，the velocity and concentration fields of dual jets were studied in stagnant，crossflow，and wave environments using particle image velocimetry（PIV）and planar laser induced fluorescence（PLIF）.The axial and cross-section vertical velocity，jet trajectory，and concentration fields were analyzed when the jet spacing varied between 5D，10D，and 15D，where D is the inner diameter of the jet nozzle.The results indicate that，in a stagnant environment，the decay of the axial velocity for the dual jets with small jet spacing is slow compared with that of a single jet，while it grows faster with the increase of jet spacing and gradually resembles that of the single jet；in a crossflow environment，the shielding effect and entrainment decrease with larger jet spacing，enhancing the bending and lowering the ascending height of jets；and in wavy conditions，there is a dependent high concentration area in the middle of two jet holes with small jet spacing and contour lines grows to be bulge-shaped with larger jet spacing.To reduce the influence of spacing on initial dilution，it is advised that the jet spacing should be larger than 10D in crossflow and wave environments.

dual jets；jet spacing；crossflow；wave；flow field；concentration field

TV131.2

A

10067647（2016）05004006

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.007

國家自然科學(xué)基金（51379072）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研專項(xiàng)（20120094110016）

江東勃（1990—），男，碩士研究生，主要從事河口海岸水動(dòng)力環(huán)境研究。E-mail：hhujdb@163.com

陳永平（1976—），男，教授，博士，主要從事河口海岸水動(dòng)力環(huán)境研究。E-mail：ypchen@hhu.edu.cn

（20151015 編輯：駱超）