不同孔数热水浮射流的数值模拟研究

刘志奇

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

0 引 言

多孔射流是淹没式多孔扩散器污水排放中典型的流动现象。采用淹没式多孔扩散器排放污水，它是将一排射流口排列在扩散器的一侧或两侧，将污水以多孔射流的形式向环境水体中排放，这种排放方式可以较大增强射流与环境水体的卷吸作用，提高射流流体与环境水体的掺混、稀释度，并己在城市污水排放工程和许多热电厂的废热水排放工程中得到应用。然而，由于多孔射流与环境流体之间相互作用的复杂性，相对于单孔射流，多孔射流具有特殊的流动结构和流动规律，目前有关这方面研究相对较少。本文采用FLUENT软件中的Reyonlds应力模型，并结合SIMPLE算法对动水环境中的多孔浮射流展开研究。

1 计算工况

以单孔射流、三孔射流和五孔射流为研究对象，探讨不同孔数时各股射流之间的相互影响。计算工况见表1。

表1 各种计算工况汇总表

2 计算结果分析

2.1 压强场分析

压强是决定流场运动特性的关键因素，流场中速度、温度等各种物理量的运动变化规律均与压强变化密切关系。单孔、三孔、五孔的y=0断面的压强等值线图具有相同的变化规律，现以单孔y/d=0断面的压强等值线图进行分析。

图1为单孔y=0断面压强的等值线分布图。从图1中可以看出，射流周围的压强要低于射流中心的压强。对于同流中的热水浮射流，在射流近区流动主要受动量的控制,浮力作用不大,从而射流的轨迹与来流的夹角不大,射流的弯曲程度不明显，随着距喷口距离的增远，射流的动量逐渐减小，由于密度差而产生的浮力作用渐渐占主导地位，射流逐渐向上弯曲。射流射出后，不断卷吸周围环境流体，被卷吸进来的流体流速逐渐增大，而射流中心的流速不断减小，压强逐渐降低。在射流轴线附近，射流轴线上面的压强要低于射流轴线下面的压强，这是由于浮力的作用产生的，而浮力作用不是很明显，所以射流轴线上面和射流轴线下面压强的差值很小，所以射流发生微弯曲，向上弯曲的程度不明显。随着距离的增远，浮力作用逐渐占主导地位，射流的弯曲程度渐渐明显。在射流轴线附近的下方，随着z的增大，压强逐渐增大，压强梯度dp/dz>0，说明流动处于正压梯度区；在射流轴线附近的上方，随着z的增大，压强逐渐减小，压强梯度dp/dz<0，说明流动处于逆压梯度区。由于浮力的作用射流向上弯曲，从而阻碍了迎流面的流体继续向前流动，而使迎流面的压强有所增大；在射流的迎流面，射流主区域的压强随x的增大逐渐变大，压强梯度dp/dx>0，说明流动处于正压梯度区；在射流的背流面，射流主区域的压强随x的增大而逐渐减小，此时压强梯度dp/dx<0，流动处于逆压区，这是由于射流向上弯曲遮挡环境流体的结果。由于射流周围的压强要低于射流中心的动态压强，这就促使射流主区域的水体向环境水体中扩散。然而，由于射流本身的卷吸作用，也要卷吸大量的环境水体进入射流主区域，随着距射流主区域的距离进一步增大，压强逐渐衰减，最后与环境水体的动态压强趋于一致。

图1 单孔y/d=0断面压强分布图

图2为z/d=0断面单孔、三孔和五孔的压强等值线分布图。从图2中可以发现，压强在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心线呈对称分布，每股射流的压强等值线具有相同的变化规律。射流从喷口射出后压强迅速降低，直至与环境流体的压强一致。从图2(b)和图2(c)中可以看出，每两股射流区域之间的压强要低于射流及射流之外的大部分环境流体的压强，所以相邻的两股射流在向前运动的同时也在向一起靠拢，两股射流的弯曲或倾斜方向相反，两股射流中心之间的间距越大，各股射流的弯曲程度也会越大。在射流孔口附近，射流之间的相互靠拢弯曲现象不明显，但随着距孔口距离的增远，相邻两股射流之间的弯曲靠拢现象将逐渐明显。由于相邻射流之间的相互靠拢，使得每股射流的独立射程缩短，即混合区提前。

图2 不同孔数时z/d=0断面压强分布图

2.2 流场分析

对于单孔射流，流场可分为射流起始段、过渡弯曲段和顺流贯穿段；而对于多孔射流，流场应分为单个射流区、射流混合过渡区和流动混合后的二维区3段。无论是单孔射流还是多孔射流，在每股射流的纵剖面上，其各物理量的等值线分布图极为相似。图3为3孔y/d=0断面速度等值线分布图。图3中射流孔口的流速为0.6 m/s，环境流速为0.1 m/s，相邻两条等值线之间的差值为0.02 m/s。从图3中可以看到，射流从孔口射出后迅速与环境流体剧烈掺混，并卷吸大量的环境流体。在孔口附近，速度衰减很快，这是由于孔口附近的紊动动能较大，射流与环境水体紊动掺混作用较强所致。随着距喷口距离的增大，紊动动能逐渐减小，掺混稀释作用减弱，速度衰减变慢。在距孔口70倍直径的位置，射流轴线上的速度已经从0.6 m/s衰减到0.14 m/s，此后流速的衰减更慢，在距孔口160倍孔口直径的位置，射流轴线上的流速还未衰减至0.12 m/s。

图3 三孔y/d=0断面速度等值线分布图

图4为x/d=60断面单孔、三孔和五孔射流的流速等值线分布图。各射流中心的最大速度约为0.15 m/s，环境流速为0.1 m/s，相邻两条等值线的差值为0.01 m/s。从图4中可以看到，在边壁附近流速要小于0.1 m/s，这是由于边壁不够光滑，环境流速受到壁面的摩擦阻碍流速变小。从图4(a)中可以看到，射流的肾型结构已经初现端倪，到一定距离后射流的肾型结构就会清晰可辨。从图4(b)和图4(c)中可以看出，各股射流在x/d=60位置已经混合，三孔射流呈近似W型或山型分布，而五孔射流更似五座连绵不断的山峰并排在一起。

当相邻两股射流中心之间的距离很大时，其间有充足的水被卷吸进射流，此时多孔射流和单孔射流完全一样；当相邻两股射流中心之间的距离很小时，其间没有充足的水供射流卷吸，两股射流就会相会吸附,多孔射流在其每两股之间都存在相互吸附的效应，此种吸附效应可从图4(b)和图4(c)中看到。由于各股射流两侧提供环境流体的能力不同,射流会产生不同程度的偏转。图4(b)中两侧的两股射流距离边壁远，有充足的水供吸附掺混，而它们与中心那股射流之间的距离相对较近，其间没有充足的水被吸附掺混，故两侧的两股射流会向中心偏斜，而中心射流由于受两侧射流的影响一样，不会向任何一侧偏转。图4(c)中的中心射流也不会偏转，但是其左右的两股射流都会向其偏转，只是偏转的程度不一样，靠近中心射流的那股射流偏转小，远离中心而距壁面近的向中心偏转大。

图4 不同孔数时x/d=60断面流速分布图

图5为x/d=60断面单孔、三孔和五孔射流的速度矢量图。从图5中可以看到，每股射流都产生一肾型涡旋结构，图5(a)的单孔射流的涡旋结构较对称，而图5(b)和图5(c)中各股射流的涡旋结构很不对称。这是由于各股射流的吸附能力不同所致，周边孔射流较中间孔射流有更充足的水够吸附、掺混，两侧射流在吸附作用下向中间弯曲，从而产生不对称涡旋结构。

与单孔射流相比，多孔射流在主流区及壁面附近的速度梯度要比单孔射流小，在射流远区，两者的速度分布相差不明显。随着距离的增加，射流速度逐渐和环境流速趋于一致。与单孔射流相比可以发现，多孔射流的轴线速度要比单孔射流在同一距离处的轴线速度略大，而且距离越远，差别越明显。在多孔射流中，轴线速度随着孔数的增多而增大，射流的紊动动能也会随之增大。通过对比发现，多孔射流的轴线速度并不是每一股射流各自速度的简单叠加，该速度要比每一股射流叠加后的速度小，在相同条件下，多孔射流具有更大的影响区域。

图5 不同孔数时x/d=60断面速度矢量图

2.3 温度场分析

图6给出五孔y/d=0断面的温度等值线分布图。射流孔口温度45℃，环境温度为20℃，相邻等值线的差值为1℃。从图6中可见，温度越高的地方，等温线分布越密。水流从孔口射出后，迅速掺混，温度随之迅速降低，随着离孔口距离的增大，温度逐渐趋于均匀。由于温差而产生密度的差异，从而产生浮力，由于受到浮力的作用，沿着射流的发展而使断面上的等温线逐渐向上抬起，但是弯曲程度不是很明显。造成这一现象的原因可能是由于温度在上升过程中,主要受浮力作用的影响,而热水浮力射流由于温差所造成的浮力作用是十分有限的。

图6 五孔y/d=0断面温度分布

图7为z/d=1断面单孔、三孔和五孔温度等直线分布图。从图7(a)中可以看出，在x/d=60时单孔射流已经开始分叉，温度降至21℃。从图7(b)和图7(c)中可以看出，由于多孔射流中每股射流之间的相互影响，相互吸附和掺混，多孔射流中每股射流的分叉现象产生的要比单孔的早，而且离中孔的距离越远分叉现象产生的越早。这是由于多孔射流的相互吸附掺混作用造成的，由于每股射流之间的空间有限，相邻两股射流相互吸附而发生偏转，中孔两侧的各股射流都向y/d=0的中间靠拢，从而使中心处温度不能向两边射流那样掺混稀释的快，故中心处的温度要比两边的温度高。由于受到临近射流的吸附作用，中心线上射流的高温区要比两侧射流的高温区延后一些。这是由于中心线上的温度受到两边射流温度的影响，不能像单孔射流那样迅速稀释扩散的结果，由于两侧射流都向中心线靠拢，从而使得在同一x断面处，中心线上的温度要比两侧温度略高一些。当各股射流都已混合后，便会形成新的像单股射流形式那样继续向前运动扩散，但是温度的最大值产生在每两股射流的中间，射流的分叉现象变得更加清晰可辨，这从图7(b)和图7(c)中的21℃等温线可以看出。

图7 不同孔数时z/d=1断面温度分布图

图8为x/d=80断面单孔、三孔和五孔的温度等值线分布图。各股射流中心最大温度约为22℃，最小温度为20℃，相邻两条温度等值线的差值为0.1℃。从图8中可看到，温度等直线的分布图与x/d=60断面的速度等值线分布图极为相似。单孔射流的马蹄形结构已经发展，三孔和五孔射流的各股射流已经混合，各股射流相互影响，相互吸附，相互掺混，从而使射流中心处的温度值较高，离中间孔越远，温度值越低。由于射流不断卷吸周围环境水体，掺混越来越剧烈，温度逐渐均匀分布而使等温线逐渐呈现稀疏分布，影响区域面积则不断扩大。随着距孔口距离的增大，温度的递减逐渐趋于稳定，以后温度渐渐降低，直至与环境水温一致。同时可以看出，随着射流的发展，在三孔射流的断面上呈现W型或山型图样，而五孔射流恰似五座连绵不断的山峰并排在一起。在横断面上呈现相应孔数的温度等值线高温区，而每一个高温区都呈现象单孔射流那样的肾型结构。由于射流之间的相互吸附、掺混等的作用，肾型结构变得更加不规则，同时多孔射流中每股射流的影响面积也没有单孔射流的影响面积大。

图8 不同孔数时x/d=80断面温度分布图

3 结 语

1) 从单孔y=0断面压强的等值线分布图中可以看出，射流周围的压强要低于射流中心的压强。从z/d=0断面单孔、三孔和五孔的压强等值线分布图中可以发现，压强在z/d=0的平面上沿y/d=0的中心线呈对称分布，每股射流的压强等值线具有相同的变化规律。

2) 给出三孔y/d=0断面速度等值线分布图；x/d=60断面单孔、三孔和五孔射流的流速等值线分布图、射流的速度矢量图。

3) 给出五孔y/d=0断面的温度等值线分布图，射流孔口温度45℃，环境温度为20℃，相邻等值线的差值为1℃。从图中可见，温度越高的地方，等温线分布越密。并得出x/d=80断面单孔、三孔和五孔的温度等值线分布图与x/d=60断面的速度等值线分布图极为相似。