橫流沖擊射流渦旋結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究.pdf

1、本文的研究對(duì)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(yīng)、壁射流及其與橫流的相互作用，流場(chǎng)中渦旋結(jié)構(gòu)的形成、演化特征和渦間相互作用機(jī)制復(fù)雜，目前在國(guó)內(nèi)外尚缺乏深入研究。對(duì)橫流沖擊射流中渦旋結(jié)構(gòu)隨時(shí)間、空間的發(fā)展過(guò)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(jìn)其在環(huán)境工程、水電工程等實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用，而且能揭示流場(chǎng)中各種渦結(jié)構(gòu)的內(nèi)在機(jī)制和演化特征，為實(shí)施流動(dòng)控制和改善流場(chǎng)特性提供基礎(chǔ)。 本文采用水槽實(shí)

2、驗(yàn)與數(shù)值研究相結(jié)合對(duì)橫流沖擊射流近區(qū)流場(chǎng)特征和渦旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)研究采用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)流動(dòng)顯示技術(shù)和PIV流場(chǎng)測(cè)量，主要研究環(huán)境水深、流速比等流動(dòng)參數(shù)對(duì)橫流沖擊射流近區(qū)非定常流動(dòng)特性和渦旋結(jié)構(gòu)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(dòng)形態(tài)隨時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果互為驗(yàn)證和補(bǔ)充。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)LIF流動(dòng)顯示和PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)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(dòng)參數(shù)的變化，表現(xiàn)出不同的非定常流動(dòng)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(duì)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(huì)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(guò)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(dòng)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(dòng)形態(tài)及形成機(jī)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(jié)構(gòu)。 射流到達(dá)底壁形成沖擊后在射流主體上游出現(xiàn)大尺度壁面渦結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)展范圍和非定常運(yùn)動(dòng)特性依賴于沖擊效應(yīng)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(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的非定常特性。上游壁面渦在形

5、成和翻卷過(guò)程中呈現(xiàn)擬周期性的“膨脹-收縮”現(xiàn)象，并導(dǎo)致射流主體在接近底壁時(shí)表現(xiàn)為沿射流軸線一定范圍內(nèi)的前后擺動(dòng)，其偏斜程度的變化與上游壁面渦狀態(tài)有關(guān)。壁面渦處于非定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，渦的垂向尺度、分離點(diǎn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境橫流存在較強(qiáng)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(jié)構(gòu)，其螺旋條帶結(jié)構(gòu)邊緣存在

6、成對(duì)的小渦結(jié)構(gòu)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還得到各流動(dòng)參數(shù)條件下壁面渦的渦心、分離點(diǎn)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(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上對(duì)橫流沖擊射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大渦模擬，為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，首先將大渦模擬結(jié)果與本文PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定量比較，兩者吻合較好。由大渦模擬結(jié)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(duì)，兩渦旋呈非定常變化，其誘導(dǎo)的速度場(chǎng)及相

7、互作用導(dǎo)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(jìn)入環(huán)境橫流的初始發(fā)展過(guò)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(duì)滯后，排列形式不如迎流面規(guī)則。沖擊效應(yīng)增強(qiáng)時(shí)，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(jié)構(gòu)在形成和發(fā)展過(guò)程中存在非對(duì)稱性，向下游運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展過(guò)程中卷吸環(huán)境流體。環(huán)境橫