波浪作用下雙孔射流壓強(qiáng)特性試驗(yàn)研究

，，

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) a.水利工程學(xué)院；b.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004)

1 研究背景

處理后的污水經(jīng)多個(gè)射流孔的形式向海排放，是城市和工業(yè)廢水排放常用的方式之一。射流的水動(dòng)力特性與受納水體密切相關(guān)，波浪水流為周期性雙向水流，因此，波浪條件下射流與恒定流條件下射流的水動(dòng)力特性有著顯著的不同，而且射流與射流之間，射流與波浪之間的相互作用也更加復(fù)雜[7]。

許多學(xué)者采用物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式對(duì)射流的特性進(jìn)行了研究。Shuto等[1]和Ger[2]發(fā)現(xiàn)在波浪的作用下，射流的稀釋能力明顯增強(qiáng);Chin[3-4]通過(guò)試驗(yàn)研究與靜水條件下的射流稀釋度作對(duì)比得出了規(guī)則波作用下單孔射流稀釋度的經(jīng)驗(yàn)公式;周豐[5]、陳永平等[6-7]建立了不規(guī)則波條件下射流軸線流速、射流寬度,以及軸線稀釋度等的經(jīng)驗(yàn)公式。以上均為單孔射流的特性，對(duì)多孔射流的研究主要集中在恒定流環(huán)境中， Tanaka[8-9]利用熱線風(fēng)速計(jì)對(duì)兩孔射流的平均和脈動(dòng)速度、紊動(dòng)應(yīng)力、射流形狀和長(zhǎng)度進(jìn)行了研究;Yuu[10]利用LDV對(duì)不同速度比下多孔射流的平均和脈動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量;Marsters[11]的研究表明兩股射流混合后形成的單股射流已達(dá)到自相似，可用單股射流的方法進(jìn)行分析。此外，陳永平等[12]利用粒子圖像測(cè)速法(PIV)和平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)對(duì)波浪環(huán)境下多孔射流的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了分析。

本文利用波浪水槽，對(duì)波浪作用下的雙孔射流的壓強(qiáng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)金盆嶺校區(qū)港航實(shí)驗(yàn)中心小波浪水槽(長(zhǎng)40 m，寬0.5 m，深0.8 m)中進(jìn)行。試驗(yàn)參數(shù)示意圖及坐標(biāo)定義如圖1所示，原點(diǎn)位于雙孔射流系統(tǒng)中心線與射流出口連線的交點(diǎn)處(雙孔射流系統(tǒng)中心線定義為兩孔中間的線)，垂直向上的方向?yàn)閦的正方向，沿水流方向?yàn)閤的正方向。H為波高，L為波長(zhǎng)，D0為兩射流的距離，h為試驗(yàn)水深，d為射流孔內(nèi)徑。射流裝置布置在水槽中部，內(nèi)徑為0.8 cm，離水槽底部的高度為5 cm，垂直向上，排放流量由LZJ-10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)控制。與射流噴口相連的常水頭水箱放置于水槽上方，箱內(nèi)水位恒定，保證射流的出口流速保持不變。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖1 雙孔射流幾何參數(shù)及坐標(biāo)定義Fig.1 Geometric parameters and coordinate definition of dual jets

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test apparatus

試驗(yàn)中射流的初始速度w0=0.84 m/s，恒定的水深h=50 cm，雙孔間距D0=3d(d為射流孔內(nèi)徑)，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

采用高精度智能數(shù)字壓力傳感器對(duì)波浪條件下射流區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)壓力測(cè)量?？紤]到試驗(yàn)組次較多，對(duì)各個(gè)組次的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化布置，并對(duì)噴口附近做了加密處理。試驗(yàn)中利用浪高儀對(duì)射流口附近的水面波動(dòng)進(jìn)行了同步測(cè)量，保證準(zhǔn)確的波浪條件。

數(shù)據(jù)采集前，在靜水環(huán)境中對(duì)壓力傳感器調(diào)零，造波后，待波形穩(wěn)定，取連續(xù)10個(gè)波的射流壓強(qiáng)值求時(shí)均值得到射流的壓強(qiáng)均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

波浪條件下單孔射流的研究成果表明，可以將射流分為射流主導(dǎo)區(qū)、波浪與射流相互作用過(guò)渡區(qū)、波浪主導(dǎo)區(qū)3段進(jìn)行分析[6]。波浪作用下的雙孔射流，受到波浪與射流的相互影響以及兩股射流之間的相互卷吸影響，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理較靜水條件下的雙孔射流更加復(fù)雜。

3.1 射流橫斷面壓強(qiáng)變化

為了更好地分析波浪作用下的射流壓強(qiáng)變化，量測(cè)了靜水條件下雙孔射流壓強(qiáng)沿水深方向的分布。圖3為靜水條件下雙孔射流橫斷面壓強(qiáng)分布。p為橫斷面壓強(qiáng)，w0為射流出口處的射流速度，ρ為水的密度，x為沿水流方向距原點(diǎn)的距離。研究發(fā)現(xiàn)：其橫斷面壓強(qiáng)呈對(duì)稱分布，在剛出射流口一段距離雙孔射流橫斷面壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)在各孔軸線上，且壓強(qiáng)自軸線向兩側(cè)迅速衰減；隨著射流的發(fā)展，兩股射流吸附、混摻，在z/d=3.75時(shí)雙孔射流開(kāi)始發(fā)生混摻；在z/d=12.50時(shí)進(jìn)入合并區(qū)，雙孔射流已混摻為一股射流，在合并區(qū)壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)中線上(雙孔射流系統(tǒng)中心線是指兩孔的中線)，合并后的雙孔射流流動(dòng)性質(zhì)類似單孔射流，其相似性也逐漸顯現(xiàn)。

圖3 靜水條件下雙孔射流橫斷面壓強(qiáng)分布Fig.3 Pressure distribution of cross-section of dual jets under hydrostatic condition

不同周期波浪條件下雙孔射流橫剖面壓強(qiáng)分布如圖4所示。研究表明：在射流主導(dǎo)區(qū)，雙孔射流孔口保持單孔射流特性向前行進(jìn)，兩孔衰減規(guī)律一致；在過(guò)渡區(qū)，由于孔2受孔1的遮擋，其衰減變慢，在斷面z/d=3.75時(shí)孔1壓強(qiáng)開(kāi)始小于孔2，此后由于波浪的作用加強(qiáng)，混合后的射流峰值有沿著波浪傳播方向移動(dòng)的趨勢(shì)，橫斷面上相似性也逐漸消失；在不同波周期的影響下，周期越大，雙孔射流摻混為一股射流的斷面越早出現(xiàn)；在波浪主導(dǎo)區(qū)，橫斷面上各點(diǎn)壓強(qiáng)已基本一致。

圖4 各工況下壓強(qiáng)在橫剖面上的分布Fig.4 Pressure distribution in the cross section under different working conditions

圖5 雙孔射流發(fā)生合并斷面隨波陡的變化Fig.5 Variation of the section of merged dual jets against wave steepness

圖6 橫斷面壓強(qiáng)峰值隨波陡的變化Fig.6 Variation of peak pressure in the cross-section against wave steepness

波浪的存在增強(qiáng)了雙孔射流的混摻，周期越大,增強(qiáng)越明顯。合并后的射流壓強(qiáng)峰值沿波浪傳播方向偏移，周期越大偏移的趨勢(shì)越明顯。以H/(gT2)表示波陡，在波高相同的情況下，波陡越大，波周期越小，從雙孔射流合并點(diǎn)來(lái)看，波浪周期的增大(即波陡減小)使得雙孔射流發(fā)生合并斷面下降，(如圖5)，即z/d減小。

在波高相同的條件下，孔1和孔2在同一斷面上的壓強(qiáng)峰值都隨著波陡的增大(即波周期的減小)而減小(圖6)。根據(jù)波浪理論，波浪水流速度具有水平速度，也有垂直速度，因此波浪作用下射流壓強(qiáng)也將比靜水條件下射流壓強(qiáng)更大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明在波浪條件下射流壓強(qiáng)分布與周圍環(huán)境水體、靜水條件下射流壓強(qiáng)分布存在一定的差異，導(dǎo)致不同波周期條件下射流橫斷面壓強(qiáng)分布有著不同的規(guī)律，與靜水條件下射流橫斷面壓強(qiáng)分布相比，射流壓強(qiáng)峰值較靜水條件有所增大，且波周期越大壓強(qiáng)峰值增加越大。

3.2 射流軸線壓強(qiáng)均值分布規(guī)律

圖7 不同射流孔軸線壓強(qiáng)均值衰減Fig.7 Average axial pressure attenuation in different jet holes

波浪條件下雙孔射流軸線上壓強(qiáng)均值變化規(guī)律如圖7所示，圖中將各斷面軸線壓強(qiáng)除以出口壓強(qiáng)作為縱坐標(biāo)。與靜水條件相比，波浪作用加速了射流軸線的衰減，周期越大,軸線壓強(qiáng)衰減越迅速，但由于孔1對(duì)孔2的遮擋造成第2孔壓強(qiáng)衰減緩慢。

射流自噴口出流后，在較短距離內(nèi)，由于淹沒(méi)深度大，波浪作用較小，射流軸線的壓強(qiáng)分布規(guī)律與靜水條件下相似，此時(shí)為射流主導(dǎo)區(qū)；隨著距射流孔口距離增加，波浪作用加強(qiáng)，此時(shí)射流與波浪同時(shí)作用，為過(guò)渡段；隨著距離進(jìn)一步增大，射流作用減弱，射流主要受波浪的作用，為波浪主導(dǎo)區(qū)。

為了更直觀地分析波浪條件下雙孔射流軸線壓強(qiáng)時(shí)均值的變化規(guī)律，將波浪條件下射流壓強(qiáng)時(shí)均值與靜水條件下射流壓強(qiáng)相減，得到波浪條件下雙孔射流軸線壓強(qiáng)均值與靜水條件下射流壓強(qiáng)差值，見(jiàn)圖8。孔1、孔2衰減差值趨勢(shì)大致一致，都經(jīng)過(guò)快速增長(zhǎng)期、峰值、迅速減小區(qū)、后部平滑區(qū)，但峰值出現(xiàn)的位置和峰值的大小卻有所不同，孔1峰值位置發(fā)生在z/d=3.75～6.25，孔2峰值位置發(fā)生在z/d=8.75～12.5，即孔2達(dá)到峰值較孔1慢(z/d大)，且孔2峰值小于孔1峰值。并且隨著波周期的變化峰值位置、峰值大小、后部平滑區(qū)范圍發(fā)生變化?？?衰減較孔1慢，這可能是由于孔1對(duì)孔2的遮擋造成的。隨著波周期的增大曲線變化率越大，且峰值越大。

圖8 波浪條件下雙孔射流壓強(qiáng)均值與靜水條件下射流壓強(qiáng)差值沿孔軸線的變化Fig.8 Value of difference between average jet pressure under wave action and jet pressure under hydrostatic condition along the axis of jet hole

3.3 射流中心線壓強(qiáng)均值分布規(guī)律

雙孔射流中心平面上射流系統(tǒng)中心線壓強(qiáng)沿程分布如圖9所示。當(dāng)來(lái)波周期不同時(shí)，中心線上壓強(qiáng)變化趨勢(shì)大致相同，都經(jīng)過(guò)負(fù)壓區(qū)、負(fù)壓峰值、壓強(qiáng)快速增長(zhǎng)區(qū)、正壓強(qiáng)峰值，以及快速衰減區(qū)。不同波周期系統(tǒng)中心線上峰值出現(xiàn)的斷面基本不變，都為z/d=6.25，峰值隨著周期的增大而減小。周期的增大使得峰值后的衰減區(qū)衰減增強(qiáng)。值得注意的是，在波高發(fā)生變化的情況下，雙孔射流系統(tǒng)中心線上壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)的斷面會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖9 波浪條件下雙孔射流系統(tǒng)中心線壓強(qiáng)沿程分布Fig.9 Pressure distribution along the centerline of dual jets system under wave action

4 結(jié) 論

(1)在波浪條件下射流內(nèi)部的壓強(qiáng)分布與周圍環(huán)境水體、靜水條件下射流內(nèi)部的壓強(qiáng)分布存在一定的差異，與靜水條件下射流橫斷面壓強(qiáng)分布相比，射流壓強(qiáng)峰值較靜水條件有所增大，且波周期越大,壓強(qiáng)峰值增加越大。

(2)由于存在波浪與射流的相互影響以及兩股射流之間的相互吸附效應(yīng)，波浪條件下雙孔射流的水動(dòng)力特性較靜水條件下的雙孔射流及波浪條件下的單孔射流更加復(fù)雜。從壓強(qiáng)的分布和衰減規(guī)律分析結(jié)果可知：波浪條件下，雙孔射流各孔衰減呈現(xiàn)出差異，在射流主導(dǎo)區(qū)，兩孔射流壓強(qiáng)分布及射流軸線等與靜水條件下雙孔射流相比均變化不大；在過(guò)渡區(qū)，孔1與單孔射流類似，而由于孔1的遮擋，孔2壓強(qiáng)衰減較第1孔小，孔2軸線偏移主軸距離較孔1有所減小且存在滯后性；在波浪主導(dǎo)區(qū)，雙孔射流已為一股射流，此時(shí)孔1對(duì)孔2的遮擋也減弱到可忽略，其水動(dòng)力特性與單孔射流類似。

(3)與靜水相比，波浪的存在加速了雙孔射流間的吸附和混摻，波周期越大,這種增強(qiáng)現(xiàn)象越明顯，波周期的增大使得射流合并斷面提早出現(xiàn)，即z/d減小。