波浪作用下双孔射流压强特性试验研究

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(长沙理工大学 a.水利工程学院；b.湖南省水沙科学与水灾害防治重点实验室，长沙 410004)

1 研究背景

处理后的污水经多个射流孔的形式向海排放，是城市和工业废水排放常用的方式之一。射流的水动力特性与受纳水体密切相关，波浪水流为周期性双向水流，因此，波浪条件下射流与恒定流条件下射流的水动力特性有着显著的不同，而且射流与射流之间，射流与波浪之间的相互作用也更加复杂[7]。

许多学者采用物理试验和数值模拟的方式对射流的特性进行了研究。Shuto等[1]和Ger[2]发现在波浪的作用下，射流的稀释能力明显增强;Chin[3-4]通过试验研究与静水条件下的射流稀释度作对比得出了规则波作用下单孔射流稀释度的经验公式;周丰[5]、陈永平等[6-7]建立了不规则波条件下射流轴线流速、射流宽度,以及轴线稀释度等的经验公式。以上均为单孔射流的特性，对多孔射流的研究主要集中在恒定流环境中， Tanaka[8-9]利用热线风速计对两孔射流的平均和脉动速度、紊动应力、射流形状和长度进行了研究;Yuu[10]利用LDV对不同速度比下多孔射流的平均和脉动流场进行了测量;Marsters[11]的研究表明两股射流混合后形成的单股射流已达到自相似，可用单股射流的方法进行分析。此外，陈永平等[12]利用粒子图像测速法(PIV)和平面激光诱导荧光技术(LIF)对波浪环境下多孔射流的速度场和浓度场进行了分析。

本文利用波浪水槽，对波浪作用下的双孔射流的压强特性进行试验研究。

2 试验装置和试验方法

试验在长沙理工大学金盆岭校区港航实验中心小波浪水槽(长40 m，宽0.5 m，深0.8 m)中进行。试验参数示意图及坐标定义如图1所示，原点位于双孔射流系统中心线与射流出口连线的交点处(双孔射流系统中心线定义为两孔中间的线)，垂直向上的方向为z的正方向，沿水流方向为x的正方向。H为波高，L为波长，D0为两射流的距离，h为试验水深，d为射流孔内径。射流装置布置在水槽中部，内径为0.8 cm，离水槽底部的高度为5 cm，垂直向上，排放流量由LZJ-10型玻璃转子流量计来控制。与射流喷口相连的常水头水箱放置于水槽上方，箱内水位恒定，保证射流的出口流速保持不变。试验装置示意图如图2所示。

图1 双孔射流几何参数及坐标定义Fig.1 Geometric parameters and coordinate definition of dual jets

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of test apparatus

试验中射流的初始速度w0=0.84 m/s，恒定的水深h=50 cm，双孔间距D0=3d(d为射流孔内径)，试验工况见表1。

表1 试验工况Table 1 Experimental conditions

采用高精度智能数字压力传感器对波浪条件下射流区域进行点压力测量。考虑到试验组次较多，对各个组次的测点进行了优化布置，并对喷口附近做了加密处理。试验中利用浪高仪对射流口附近的水面波动进行了同步测量，保证准确的波浪条件。

数据采集前，在静水环境中对压力传感器调零，造波后，待波形稳定，取连续10个波的射流压强值求时均值得到射流的压强均值。

3 试验结果与分析

波浪条件下单孔射流的研究成果表明，可以将射流分为射流主导区、波浪与射流相互作用过渡区、波浪主导区3段进行分析[6]。波浪作用下的双孔射流，受到波浪与射流的相互影响以及两股射流之间的相互卷吸影响，其运动机理较静水条件下的双孔射流更加复杂。

3.1 射流横断面压强变化

为了更好地分析波浪作用下的射流压强变化，量测了静水条件下双孔射流压强沿水深方向的分布。图3为静水条件下双孔射流横断面压强分布。p为横断面压强，w0为射流出口处的射流速度，ρ为水的密度，x为沿水流方向距原点的距离。研究发现：其横断面压强呈对称分布，在刚出射流口一段距离双孔射流横断面压强峰值出现在各孔轴线上，且压强自轴线向两侧迅速衰减；随着射流的发展，两股射流吸附、混掺，在z/d=3.75时双孔射流开始发生混掺；在z/d=12.50时进入合并区，双孔射流已混掺为一股射流，在合并区压强峰值出现在系统中线上(双孔射流系统中心线是指两孔的中线)，合并后的双孔射流流动性质类似单孔射流，其相似性也逐渐显现。

图3 静水条件下双孔射流横断面压强分布Fig.3 Pressure distribution of cross-section of dual jets under hydrostatic condition

不同周期波浪条件下双孔射流横剖面压强分布如图4所示。研究表明：在射流主导区，双孔射流孔口保持单孔射流特性向前行进，两孔衰减规律一致；在过渡区，由于孔2受孔1的遮挡，其衰减变慢，在断面z/d=3.75时孔1压强开始小于孔2，此后由于波浪的作用加强，混合后的射流峰值有沿着波浪传播方向移动的趋势，横断面上相似性也逐渐消失；在不同波周期的影响下，周期越大，双孔射流掺混为一股射流的断面越早出现；在波浪主导区，横断面上各点压强已基本一致。

图4 各工况下压强在横剖面上的分布Fig.4 Pressure distribution in the cross section under different working conditions

图5 双孔射流发生合并断面随波陡的变化Fig.5 Variation of the section of merged dual jets against wave steepness

图6 横断面压强峰值随波陡的变化Fig.6 Variation of peak pressure in the cross-section against wave steepness

波浪的存在增强了双孔射流的混掺，周期越大,增强越明显。合并后的射流压强峰值沿波浪传播方向偏移，周期越大偏移的趋势越明显。以H/(gT2)表示波陡，在波高相同的情况下，波陡越大，波周期越小，从双孔射流合并点来看，波浪周期的增大(即波陡减小)使得双孔射流发生合并断面下降，(如图5)，即z/d减小。

在波高相同的条件下，孔1和孔2在同一断面上的压强峰值都随着波陡的增大(即波周期的减小)而减小(图6)。根据波浪理论，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压强也将比静水条件下射流压强更大。试验数据也表明在波浪条件下射流压强分布与周围环境水体、静水条件下射流压强分布存在一定的差异，导致不同波周期条件下射流横断面压强分布有着不同的规律，与静水条件下射流横断面压强分布相比，射流压强峰值较静水条件有所增大，且波周期越大压强峰值增加越大。

3.2 射流轴线压强均值分布规律

图7 不同射流孔轴线压强均值衰减Fig.7 Average axial pressure attenuation in different jet holes

波浪条件下双孔射流轴线上压强均值变化规律如图7所示，图中将各断面轴线压强除以出口压强作为纵坐标。与静水条件相比，波浪作用加速了射流轴线的衰减，周期越大,轴线压强衰减越迅速，但由于孔1对孔2的遮挡造成第2孔压强衰减缓慢。

射流自喷口出流后，在较短距离内，由于淹没深度大，波浪作用较小，射流轴线的压强分布规律与静水条件下相似，此时为射流主导区；随着距射流孔口距离增加，波浪作用加强，此时射流与波浪同时作用，为过渡段；随着距离进一步增大，射流作用减弱，射流主要受波浪的作用，为波浪主导区。

为了更直观地分析波浪条件下双孔射流轴线压强时均值的变化规律，将波浪条件下射流压强时均值与静水条件下射流压强相减，得到波浪条件下双孔射流轴线压强均值与静水条件下射流压强差值，见图8。孔1、孔2衰减差值趋势大致一致，都经过快速增长期、峰值、迅速减小区、后部平滑区，但峰值出现的位置和峰值的大小却有所不同，孔1峰值位置发生在z/d=3.75～6.25，孔2峰值位置发生在z/d=8.75～12.5，即孔2达到峰值较孔1慢(z/d大)，且孔2峰值小于孔1峰值。并且随着波周期的变化峰值位置、峰值大小、后部平滑区范围发生变化。孔2衰减较孔1慢，这可能是由于孔1对孔2的遮挡造成的。随着波周期的增大曲线变化率越大，且峰值越大。

图8 波浪条件下双孔射流压强均值与静水条件下射流压强差值沿孔轴线的变化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 射流中心线压强均值分布规律

双孔射流中心平面上射流系统中心线压强沿程分布如图9所示。当来波周期不同时，中心线上压强变化趋势大致相同，都经过负压区、负压峰值、压强快速增长区、正压强峰值，以及快速衰减区。不同波周期系统中心线上峰值出现的断面基本不变，都为z/d=6.25，峰值随着周期的增大而减小。周期的增大使得峰值后的衰减区衰减增强。值得注意的是，在波高发生变化的情况下，双孔射流系统中心线上压强峰值出现的断面会发生相应的改变。

图9 波浪条件下双孔射流系统中心线压强沿程分布Fig.9 Pressure distribution along the centerline of dual jets system under wave action

4 结 论

(1)在波浪条件下射流内部的压强分布与周围环境水体、静水条件下射流内部的压强分布存在一定的差异，与静水条件下射流横断面压强分布相比，射流压强峰值较静水条件有所增大，且波周期越大,压强峰值增加越大。

(2)由于存在波浪与射流的相互影响以及两股射流之间的相互吸附效应，波浪条件下双孔射流的水动力特性较静水条件下的双孔射流及波浪条件下的单孔射流更加复杂。从压强的分布和衰减规律分析结果可知：波浪条件下，双孔射流各孔衰减呈现出差异，在射流主导区，两孔射流压强分布及射流轴线等与静水条件下双孔射流相比均变化不大；在过渡区，孔1与单孔射流类似，而由于孔1的遮挡，孔2压强衰减较第1孔小，孔2轴线偏移主轴距离较孔1有所减小且存在滞后性；在波浪主导区，双孔射流已为一股射流，此时孔1对孔2的遮挡也减弱到可忽略，其水动力特性与单孔射流类似。

(3)与静水相比，波浪的存在加速了双孔射流间的吸附和混掺，波周期越大,这种增强现象越明显，波周期的增大使得射流合并断面提早出现，即z/d减小。