不同孔數(shù)熱水浮射流的數(shù)值模擬研究

劉志奇

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

0 引 言

多孔射流是淹沒式多孔擴散器污水排放中典型的流動現(xiàn)象。采用淹沒式多孔擴散器排放污水，它是將一排射流口排列在擴散器的一側(cè)或兩側(cè)，將污水以多孔射流的形式向環(huán)境水體中排放，這種排放方式可以較大增強射流與環(huán)境水體的卷吸作用，提高射流流體與環(huán)境水體的摻混、稀釋度，并己在城市污水排放工程和許多熱電廠的廢熱水排放工程中得到應(yīng)用。然而，由于多孔射流與環(huán)境流體之間相互作用的復(fù)雜性，相對于單孔射流，多孔射流具有特殊的流動結(jié)構(gòu)和流動規(guī)律，目前有關(guān)這方面研究相對較少。本文采用FLUENT軟件中的Reyonlds應(yīng)力模型，并結(jié)合SIMPLE算法對動水環(huán)境中的多孔浮射流展開研究。

1 計算工況

以單孔射流、三孔射流和五孔射流為研究對象，探討不同孔數(shù)時各股射流之間的相互影響。計算工況見表1。

表1 各種計算工況匯總表

2 計算結(jié)果分析

2.1 壓強場分析

壓強是決定流場運動特性的關(guān)鍵因素，流場中速度、溫度等各種物理量的運動變化規(guī)律均與壓強變化密切關(guān)系。單孔、三孔、五孔的y=0斷面的壓強等值線圖具有相同的變化規(guī)律，現(xiàn)以單孔y/d=0斷面的壓強等值線圖進行分析。

圖1為單孔y=0斷面壓強的等值線分布圖。從圖1中可以看出，射流周圍的壓強要低于射流中心的壓強。對于同流中的熱水浮射流，在射流近區(qū)流動主要受動量的控制,浮力作用不大,從而射流的軌跡與來流的夾角不大,射流的彎曲程度不明顯，隨著距噴口距離的增遠，射流的動量逐漸減小，由于密度差而產(chǎn)生的浮力作用漸漸占主導(dǎo)地位，射流逐漸向上彎曲。射流射出后，不斷卷吸周圍環(huán)境流體，被卷吸進來的流體流速逐漸增大，而射流中心的流速不斷減小，壓強逐漸降低。在射流軸線附近，射流軸線上面的壓強要低于射流軸線下面的壓強，這是由于浮力的作用產(chǎn)生的，而浮力作用不是很明顯，所以射流軸線上面和射流軸線下面壓強的差值很小，所以射流發(fā)生微彎曲，向上彎曲的程度不明顯。隨著距離的增遠，浮力作用逐漸占主導(dǎo)地位，射流的彎曲程度漸漸明顯。在射流軸線附近的下方，隨著z的增大，壓強逐漸增大，壓強梯度dp/dz>0，說明流動處于正壓梯度區(qū)；在射流軸線附近的上方，隨著z的增大，壓強逐漸減小，壓強梯度dp/dz<0，說明流動處于逆壓梯度區(qū)。由于浮力的作用射流向上彎曲，從而阻礙了迎流面的流體繼續(xù)向前流動，而使迎流面的壓強有所增大；在射流的迎流面，射流主區(qū)域的壓強隨x的增大逐漸變大，壓強梯度dp/dx>0，說明流動處于正壓梯度區(qū)；在射流的背流面，射流主區(qū)域的壓強隨x的增大而逐漸減小，此時壓強梯度dp/dx<0，流動處于逆壓區(qū)，這是由于射流向上彎曲遮擋環(huán)境流體的結(jié)果。由于射流周圍的壓強要低于射流中心的動態(tài)壓強，這就促使射流主區(qū)域的水體向環(huán)境水體中擴散。然而，由于射流本身的卷吸作用，也要卷吸大量的環(huán)境水體進入射流主區(qū)域，隨著距射流主區(qū)域的距離進一步增大，壓強逐漸衰減，最后與環(huán)境水體的動態(tài)壓強趨于一致。

圖1 單孔y/d=0斷面壓強分布圖

圖2為z/d=0斷面單孔、三孔和五孔的壓強等值線分布圖。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，壓強在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心線呈對稱分布，每股射流的壓強等值線具有相同的變化規(guī)律。射流從噴口射出后壓強迅速降低，直至與環(huán)境流體的壓強一致。從圖2(b)和圖2(c)中可以看出，每兩股射流區(qū)域之間的壓強要低于射流及射流之外的大部分環(huán)境流體的壓強，所以相鄰的兩股射流在向前運動的同時也在向一起靠攏，兩股射流的彎曲或傾斜方向相反，兩股射流中心之間的間距越大，各股射流的彎曲程度也會越大。在射流孔口附近，射流之間的相互靠攏彎曲現(xiàn)象不明顯，但隨著距孔口距離的增遠，相鄰兩股射流之間的彎曲靠攏現(xiàn)象將逐漸明顯。由于相鄰射流之間的相互靠攏，使得每股射流的獨立射程縮短，即混合區(qū)提前。

圖2 不同孔數(shù)時z/d=0斷面壓強分布圖

2.2 流場分析

對于單孔射流，流場可分為射流起始段、過渡彎曲段和順流貫穿段；而對于多孔射流，流場應(yīng)分為單個射流區(qū)、射流混合過渡區(qū)和流動混合后的二維區(qū)3段。無論是單孔射流還是多孔射流，在每股射流的縱剖面上，其各物理量的等值線分布圖極為相似。圖3為3孔y/d=0斷面速度等值線分布圖。圖3中射流孔口的流速為0.6 m/s，環(huán)境流速為0.1 m/s，相鄰兩條等值線之間的差值為0.02 m/s。從圖3中可以看到，射流從孔口射出后迅速與環(huán)境流體劇烈摻混，并卷吸大量的環(huán)境流體。在孔口附近，速度衰減很快，這是由于孔口附近的紊動動能較大，射流與環(huán)境水體紊動摻混作用較強所致。隨著距噴口距離的增大，紊動動能逐漸減小，摻混稀釋作用減弱，速度衰減變慢。在距孔口70倍直徑的位置，射流軸線上的速度已經(jīng)從0.6 m/s衰減到0.14 m/s，此后流速的衰減更慢，在距孔口160倍孔口直徑的位置，射流軸線上的流速還未衰減至0.12 m/s。

圖3 三孔y/d=0斷面速度等值線分布圖

圖4為x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的流速等值線分布圖。各射流中心的最大速度約為0.15 m/s，環(huán)境流速為0.1 m/s，相鄰兩條等值線的差值為0.01 m/s。從圖4中可以看到，在邊壁附近流速要小于0.1 m/s，這是由于邊壁不夠光滑，環(huán)境流速受到壁面的摩擦阻礙流速變小。從圖4(a)中可以看到，射流的腎型結(jié)構(gòu)已經(jīng)初現(xiàn)端倪，到一定距離后射流的腎型結(jié)構(gòu)就會清晰可辨。從圖4(b)和圖4(c)中可以看出，各股射流在x/d=60位置已經(jīng)混合，三孔射流呈近似W型或山型分布，而五孔射流更似五座連綿不斷的山峰并排在一起。

當(dāng)相鄰兩股射流中心之間的距離很大時，其間有充足的水被卷吸進射流，此時多孔射流和單孔射流完全一樣；當(dāng)相鄰兩股射流中心之間的距離很小時，其間沒有充足的水供射流卷吸，兩股射流就會相會吸附,多孔射流在其每兩股之間都存在相互吸附的效應(yīng)，此種吸附效應(yīng)可從圖4(b)和圖4(c)中看到。由于各股射流兩側(cè)提供環(huán)境流體的能力不同,射流會產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。圖4(b)中兩側(cè)的兩股射流距離邊壁遠，有充足的水供吸附摻混，而它們與中心那股射流之間的距離相對較近，其間沒有充足的水被吸附摻混，故兩側(cè)的兩股射流會向中心偏斜，而中心射流由于受兩側(cè)射流的影響一樣，不會向任何一側(cè)偏轉(zhuǎn)。圖4(c)中的中心射流也不會偏轉(zhuǎn)，但是其左右的兩股射流都會向其偏轉(zhuǎn)，只是偏轉(zhuǎn)的程度不一樣，靠近中心射流的那股射流偏轉(zhuǎn)小，遠離中心而距壁面近的向中心偏轉(zhuǎn)大。

圖4 不同孔數(shù)時x/d=60斷面流速分布圖

圖5為x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的速度矢量圖。從圖5中可以看到，每股射流都產(chǎn)生一腎型渦旋結(jié)構(gòu)，圖5(a)的單孔射流的渦旋結(jié)構(gòu)較對稱，而圖5(b)和圖5(c)中各股射流的渦旋結(jié)構(gòu)很不對稱。這是由于各股射流的吸附能力不同所致，周邊孔射流較中間孔射流有更充足的水夠吸附、摻混，兩側(cè)射流在吸附作用下向中間彎曲，從而產(chǎn)生不對稱渦旋結(jié)構(gòu)。

與單孔射流相比，多孔射流在主流區(qū)及壁面附近的速度梯度要比單孔射流小，在射流遠區(qū)，兩者的速度分布相差不明顯。隨著距離的增加，射流速度逐漸和環(huán)境流速趨于一致。與單孔射流相比可以發(fā)現(xiàn)，多孔射流的軸線速度要比單孔射流在同一距離處的軸線速度略大，而且距離越遠，差別越明顯。在多孔射流中，軸線速度隨著孔數(shù)的增多而增大，射流的紊動動能也會隨之增大。通過對比發(fā)現(xiàn)，多孔射流的軸線速度并不是每一股射流各自速度的簡單疊加，該速度要比每一股射流疊加后的速度小，在相同條件下，多孔射流具有更大的影響區(qū)域。

圖5 不同孔數(shù)時x/d=60斷面速度矢量圖

2.3 溫度場分析

圖6給出五孔y/d=0斷面的溫度等值線分布圖。射流孔口溫度45℃，環(huán)境溫度為20℃，相鄰等值線的差值為1℃。從圖6中可見，溫度越高的地方，等溫線分布越密。水流從孔口射出后，迅速摻混，溫度隨之迅速降低，隨著離孔口距離的增大，溫度逐漸趨于均勻。由于溫差而產(chǎn)生密度的差異，從而產(chǎn)生浮力，由于受到浮力的作用，沿著射流的發(fā)展而使斷面上的等溫線逐漸向上抬起，但是彎曲程度不是很明顯。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于溫度在上升過程中,主要受浮力作用的影響,而熱水浮力射流由于溫差所造成的浮力作用是十分有限的。

圖6 五孔y/d=0斷面溫度分布

圖7為z/d=1斷面單孔、三孔和五孔溫度等直線分布圖。從圖7(a)中可以看出，在x/d=60時單孔射流已經(jīng)開始分叉，溫度降至21℃。從圖7(b)和圖7(c)中可以看出，由于多孔射流中每股射流之間的相互影響，相互吸附和摻混，多孔射流中每股射流的分叉現(xiàn)象產(chǎn)生的要比單孔的早，而且離中孔的距離越遠分叉現(xiàn)象產(chǎn)生的越早。這是由于多孔射流的相互吸附摻混作用造成的，由于每股射流之間的空間有限，相鄰兩股射流相互吸附而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，中孔兩側(cè)的各股射流都向y/d=0的中間靠攏，從而使中心處溫度不能向兩邊射流那樣摻混稀釋的快，故中心處的溫度要比兩邊的溫度高。由于受到臨近射流的吸附作用，中心線上射流的高溫區(qū)要比兩側(cè)射流的高溫區(qū)延后一些。這是由于中心線上的溫度受到兩邊射流溫度的影響，不能像單孔射流那樣迅速稀釋擴散的結(jié)果，由于兩側(cè)射流都向中心線靠攏，從而使得在同一x斷面處，中心線上的溫度要比兩側(cè)溫度略高一些。當(dāng)各股射流都已混合后，便會形成新的像單股射流形式那樣繼續(xù)向前運動擴散，但是溫度的最大值產(chǎn)生在每兩股射流的中間，射流的分叉現(xiàn)象變得更加清晰可辨，這從圖7(b)和圖7(c)中的21℃等溫線可以看出。

圖7 不同孔數(shù)時z/d=1斷面溫度分布圖

圖8為x/d=80斷面單孔、三孔和五孔的溫度等值線分布圖。各股射流中心最大溫度約為22℃，最小溫度為20℃，相鄰兩條溫度等值線的差值為0.1℃。從圖8中可看到，溫度等直線的分布圖與x/d=60斷面的速度等值線分布圖極為相似。單孔射流的馬蹄形結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展，三孔和五孔射流的各股射流已經(jīng)混合，各股射流相互影響，相互吸附，相互摻混，從而使射流中心處的溫度值較高，離中間孔越遠，溫度值越低。由于射流不斷卷吸周圍環(huán)境水體，摻混越來越劇烈，溫度逐漸均勻分布而使等溫線逐漸呈現(xiàn)稀疏分布，影響區(qū)域面積則不斷擴大。隨著距孔口距離的增大，溫度的遞減逐漸趨于穩(wěn)定，以后溫度漸漸降低，直至與環(huán)境水溫一致。同時可以看出，隨著射流的發(fā)展，在三孔射流的斷面上呈現(xiàn)W型或山型圖樣，而五孔射流恰似五座連綿不斷的山峰并排在一起。在橫斷面上呈現(xiàn)相應(yīng)孔數(shù)的溫度等值線高溫區(qū)，而每一個高溫區(qū)都呈現(xiàn)象單孔射流那樣的腎型結(jié)構(gòu)。由于射流之間的相互吸附、摻混等的作用，腎型結(jié)構(gòu)變得更加不規(guī)則，同時多孔射流中每股射流的影響面積也沒有單孔射流的影響面積大。

圖8 不同孔數(shù)時x/d=80斷面溫度分布圖

3 結(jié) 語

1) 從單孔y=0斷面壓強的等值線分布圖中可以看出，射流周圍的壓強要低于射流中心的壓強。從z/d=0斷面單孔、三孔和五孔的壓強等值線分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓強在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心線呈對稱分布，每股射流的壓強等值線具有相同的變化規(guī)律。

2) 給出三孔y/d=0斷面速度等值線分布圖；x/d=60斷面單孔、三孔和五孔射流的流速等值線分布圖、射流的速度矢量圖。

3) 給出五孔y/d=0斷面的溫度等值線分布圖，射流孔口溫度45℃，環(huán)境溫度為20℃，相鄰等值線的差值為1℃。從圖中可見，溫度越高的地方，等溫線分布越密。并得出x/d=80斷面單孔、三孔和五孔的溫度等值線分布圖與x/d=60斷面的速度等值線分布圖極為相似。