单股水平淹没射流的理论计算与数值模拟

《单股水平淹没射流的理论计算与数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、高永辉，王新建（商丘师范学院建筑与土木工程系，河南商丘476000）摘要：采用理论分析的方法，利用单股水平淹没射流纯水状态下射流中心轴线流速的试验推导公式，进行不同流程下中心轴线最大流速的计算。然后利用FLUENT流体计算软件，对单股水平淹没射流进行数值模拟研究，求得射流相对应流程上中心轴线的最大流速，并与理论分析结果加以比较，从而验证CFD流体计算软件对淹没射流研究的适用性和准确性。关键词：淹没射流；消能设施；CFD；数值模拟；压力场分析；能量耗散中图分类号：TV131.4文献标识码：A文章编号：

2、1008-486X(2011)03-0026-02引言射流按不同的流态、喷口形状、环境固体边界，以及射流原动力等，可分为不同的类型[1]：按流动形态可分为层流射流和紊流射流（高速冲击射流为紊动射流）；按射流的物理性质，可分为不可压缩射流和可压缩射流、等密度射流和变密度射流。从环境的性质来划分，射入同种性质的流体内的射流称为淹没射流，射入不同性质的流体内的射流称为非淹没射流[2]。式计算单股水平淹没射流轴线的最大流速。为使计算结果和FLUENT模拟结果有更充分的比较，将在射流入水宽度b0＝0.5m时，

3、取入射水流流速u0＝10m/s，流程S＝1m、3m、5m的情况下，计算射流轴线流速um的取值，计算结果见表1。表1射流轴线流速随流程变化值Table1Valuesforjetaxisflowratechangingwithflow0流程S/m135射流轴线流速um/m/s9.977.465.00由表1可以看到，射流轴线流速um随流程S呈直线变化，并随S的增大而不断变小。这说明，伴随着流程S的不断增大，射流轴线流速um能量的耗散也越来越大。理论分析取单宽水流进行分析，设射流入水断面为均匀1掺气[3]。

4、浓度为β0、断面平均流速为u0、掺气射流厚度、纯水当量厚度d0=E(1-β0)。掺气射流的水下扩散中心线位置最大流速计算如下FLUENT模拟分析22.1边界条件的设定在FLUENT计算中，把边界条件定义为进口边um=md0姨姨πc(1-β0)姨x（1）界和出口边界，其中进口边界包括：速度进口u＝u00水力直径DH＝0.5m。把流体进口边界设定为10m/s，当射流为纯水时，β0＝0，式中系数c、m需由试验确定。1982年，余常绍已经对垂直纯水流的扩散进行了试验研究[4]，得出射流中心轴线上的速度变化规

5、律（如式（2）所示）：速度入口。相应的入口紊动能和耗散率的边界条件可由下列经验公式得出：[5]2k=0.00375U0（3）（4）ε=k1.5/0.4H0式中：U0为进口流速，m/s；H0为进口水深，m。由于出口边界为自然溢流，与大气相通，故可以认为出口压力为大气压力值，即一个大气压（10135Pa），所有变量的法向梯度为零。出口水力直径可由式（5）求得（DH＝3.755m）。u0=0.35+0.165S（2）umb0式中：u0为射流入水流速，m/s；um为射流轴线流速，m/s；b0为射流入水宽度，

6、m；S为流程，m。式（2）表明，u0/um与流程S呈直线关系。采用该收稿日期：2011-05-18作者简介：高永辉（1983-），男，河南扶沟人，助教，硕士，从事力学方面的教学与研究工作。DH-4LW能量几乎没有产生太大的损耗，流速分布非常密集。在流速散点图上可以清晰地显示，其中心轴线处的流速达到9.4m/s。流程S＝2m时，流速有所减弱，能量也有所耗散，流速值散点图示出，此时最大（5）2(L+W)式中：DH为出口水力直径，m；L为池长，m；W为池宽，m。2.2入射水流流速u0＝10m/s射流入水宽

7、度b0＝0.5m，入射水流流速u0＝10m/s，流程S＝1m、3m、5m时，射流轴线流速um的取值。模拟结果如图1～3和表2所示。为了充分对比理论计算结果，把沿射流轴线平面流程S＝1m、3m、5m时的纵切面，分别记做平面1、平面3和平面5，平面内的流速分布及流速值如图流速为8m/s。随着流程的不断增大，射流在进入消能池后扩散越来越明显，能量耗散也越来越大。当流程S＝4m时，在平面4上的中心轴线最大流速分别降低为5.9m/s。当流程S＝5m时，扩散最为充分，消能效果最为明显，高速射流的能量耗散也最大。

8、此时射流在平面5上的流速也最小。只有4.1m/s，对消能池各壁面的压力才降到最低值，破坏程度降到最小。1~3所示。流速分布图中速度等值线中的数值或颜色代表所在点的流速，流速散点图中深色散点代表横面流速，浅色散点代表纵面流速。分析比较由理论计算结果和FLUENT数值模拟结果比较显示，u0＝10m/s两种计算结果基本吻合（如表3和图4所示）。表3两种计算方法数据比较Table3Datacomparisonoftwokindsofcalculationmethods3图1平