單股水平淹沒射流的理論計(jì)算與數(shù)值模擬

1、高永輝，王新建（商丘師范學(xué)院 建筑與土木工程系，河南 商丘 476000）摘要：采用理論分析的方法，利用單股水平淹沒射流純水狀態(tài)下射流中心軸線流速的試驗(yàn)推導(dǎo)公式，進(jìn)行不同流程下中心軸線最大流速的計(jì)算。然后利用 fluent 流體計(jì)算軟件，對(duì)單股水平淹沒 射流進(jìn)行數(shù)值模擬研究，求得射流相對(duì)應(yīng)流程上中心軸線的最大流速，并與理論分析結(jié)果加以比 較，從而驗(yàn)證 cfd 流體計(jì)算軟件對(duì)淹沒射流研究的適用性和準(zhǔn)確性。 關(guān)鍵詞：淹沒射流；消能設(shè)施；cfd；數(shù)值模擬；壓力場(chǎng)分析；能量耗散中圖分類號(hào)：tv131.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1008-486x(2011)03-0026-02引言射流按不同的流態(tài) 、噴

2、 口 形 狀 、環(huán) 境 固 體 邊 界 ， 以及射流原動(dòng)力等 ，可分為不同的類型1：按 流 動(dòng) 形 態(tài)可分為層流射流和紊流射流 （高 速 沖 擊 射 流 為 紊 動(dòng) 射 流 ）；按射流的物理性質(zhì) ，可 分 為 不 可 壓 縮 射 流 和 可 壓 縮 射 流 、等密度射流和變密度射流 。 從 環(huán) 境 的 性 質(zhì) 來(lái) 劃 分 ，射入同種性質(zhì)的流體內(nèi) 的 射 流 稱 為 淹 沒 射 流 ，射入不同性質(zhì)的流體內(nèi)的射 流 稱 為 非 淹 沒射流2。式計(jì)算單股水平淹沒射流軸線的最大流速 。 為使計(jì)算 結(jié) 果 和 fluent 模擬結(jié)果有更充分的比較 ，將 在 射流入水寬 度 b00.5m 時(shí) ，取入射水流

3、流速 u010m/ s，流 程 s1m、3m、5m 的 情 況 下 ，計(jì) 算 射 流 軸 線 流 速 um 的取值 ，計(jì)算結(jié)果見表 1。表 1 射流軸線流速隨流程變化值 table 1 values for jet axis flow rate changing with flow 0流 程 s/m135射 流 軸 線 流 速 um/m/s9.977.465.00由表 1 可以看到 ，射流軸線 流 速 um 隨 流 程 s 呈直線變化 ，并隨 s 的增大而不斷變小 。 這說明 ，伴隨 著流程 s 的不斷增大 ，射流軸線 流 速 um 能 量 的 耗 散也越來(lái)越大 。理論分析取單寬水流進(jìn)行分析

4、，設(shè) 射流入水?dāng)嗝鏋榫鶆?1摻 氣3。濃 度 為 0、斷面平均流速為 u0、摻 氣 射 流 厚度、純水當(dāng)量厚度 d0=e(1-0)。摻氣射流的水下擴(kuò) 散中心線位置最大流速計(jì) 算如下fluent 模擬分析22.1邊界條件的設(shè)定在 fluent 計(jì) 算 中 ，把 邊 界 條 件 定 義 為 進(jìn) 口 邊um =md0姨 姨 c(1-0)姨 x（1）界 和 出 口 邊 界 ， 其中進(jìn)口邊界包括 ： 速 度 進(jìn) 口 u u00水 力 直 徑 dh0.5m。把流體進(jìn)口邊界設(shè)定為 10m/s，當(dāng)射流為純水時(shí) ， 00，式 中 系 數(shù) c、m 需 由 試驗(yàn)確定 。1982 年 ，余常紹已經(jīng)對(duì)垂直純水流的擴(kuò)散

5、進(jìn) 行 了 試 驗(yàn) 研 究 4，得出射流中心軸線上的速度變化規(guī) 律（如式（2）所示）：速度入口 。 相應(yīng)的入口紊動(dòng)能和耗散率的邊界條件可由下列經(jīng)驗(yàn)公式得出 ：52k=0.00375u0（3）（4）=k1.5/0.4h0式中：u0 為進(jìn)口流速 ，m/s；h0 為進(jìn)口水深 ，m。由于出口邊界為自然溢流 ，與 大 氣 相 通 ， 故 可 以 認(rèn)為出口壓力為大氣壓力值 ， 即 一 個(gè) 大 氣 壓（10135pa），所有變量的法向梯度為零 。 出口水力直 徑可由式 （5）求得（dh3.755m）。u0=0.35+0.165 s（2）umb0式 中 ：u0 為射流入水流速 ，m/s；um 為 射 流 軸

6、線流速，m/s；b0 為射流入水寬度 ，m；s 為流程 ，m。式（2）表明，u0/um 與流程 s 呈直線關(guān)系 。 采用該收稿日期：2011-05-18作者簡(jiǎn)介：高 永 輝 （1983-），男 ，河 南 扶 溝 人 ，助 教 ，碩 士 ，從事力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作 。dh- 4lw 能量幾乎沒有產(chǎn)生太大的損耗 ， 流速分布非常密 集 。 在流速散點(diǎn)圖上可以 清 晰 地 顯 示 ，其 中 心 軸 線 處 的 流 速 達(dá) 到 9.4m/s。 流 程 s2m 時(shí) ， 流 速 有 所 減弱 ，能量也有所耗散 ，流 速 值 散 點(diǎn) 圖 示 出 ，此 時(shí) 最 大（5）2(l+w)式 中 ：dh 為 出

7、口 水 力 直 徑 ，m；l 為 池 長(zhǎng) ，m；w為池寬 ，m。2.2入射水流流速u010m/s射 流 入 水 寬 度 b00.5m，入 射 水 流 流 速 u010m/ s，流 程 s1m、3m、5m 時(shí) ，射 流 軸 線 流 速 um 的 取 值 。 模擬結(jié)果如圖 13 和表 2 所示。為了充分對(duì)比 理 論 計(jì) 算 結(jié) 果 ，把沿射流軸線平 面流程 s1m、3m、5m 時(shí)的縱切面 ，分別記 做 平 面 1、平面 3 和平面 5，平面內(nèi)的流速分布及 流速值如圖流 速 為 8m/s。隨著流程的不斷增大 ，射 流 在 進(jìn) 入 消能池后擴(kuò)散越來(lái)越明顯 ，能量耗散也越來(lái)越大 。 當(dāng)流 程 s4m 時(shí)

8、 ， 在 平 面 4 上的中心軸線 最 大 流 速 分 別 降 低 為 5.9m/s。 當(dāng) 流 程 s5m 時(shí) ，擴(kuò) 散 最 為 充 分 ， 消能效果最為明顯 ， 高 速 射流的能量耗散也最大 。此時(shí)射流在平面 5 上的流速也最小 。 只有 4.1m/s，對(duì) 消能池各壁面的壓力才降 到 最 低 值 ，破 壞 程 度 降 到 最小。13 所 示 。流速分布圖中速度等值線中的數(shù)值或顏 色代表所在點(diǎn)的流速 ，流 速 散點(diǎn)圖中深色散點(diǎn)代表 橫面流速 ，淺色散點(diǎn)代表縱面流速 。分析比較由理論計(jì)算結(jié)果和 fluent 數(shù)值模擬結(jié)果比 較 顯 示 ， u010m/s 兩種計(jì)算結(jié)果基本吻合 （如 表 3 和圖

9、 4 所示）。表 3 兩種計(jì)算方法數(shù)據(jù)比較table 3 data comparison of two kinds of calculation methods3圖 1 平面 1 的流通分布圖和流速值散點(diǎn)圖fig.1 circulation distribution and velocity values of plane 1流 程 s/m理 論 計(jì) 算 um/m/s19.9737.4655.00fluent 計(jì) 算 um/m/s 9.40 7.30 4.10 4結(jié)論理 論 計(jì) 算 與 現(xiàn) 實(shí) 情 況 存 在 差 異 ， 當(dāng) 采 用fluent 計(jì)算模 擬 時(shí) ，消力池內(nèi)水體紊動(dòng)劇烈 ，流 速

10、最大值的出現(xiàn)位置和大小 并 不 固 定 ，且 較 難 確 定 其 準(zhǔn)確位置和方向 ，故 與 理 想的理論分析結(jié)果有微小 的偏差 。 因此，在進(jìn)行較為復(fù)雜的淹沒射流流速 、壓力數(shù)值計(jì) 算 時(shí) ， 完 全 可 以 用 cfd 數(shù)值模擬的方法 ，對(duì)消能池內(nèi)的流速場(chǎng) 、壓 力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析 。 這 樣 即可大大減少工作量 ，又 可相對(duì)真實(shí)地反映消能池 內(nèi)各個(gè)點(diǎn) 、面的流速及壓力分布 。圖 2 平面 3 的流通分布圖和流速值散點(diǎn)圖fig.2 circulation distribution and velocity values of plane 3參考文獻(xiàn)：1 臺(tái) 爾 曼. 消力池中消力墩的 作 用

11、j. 水 力 發(fā) 電 ，1957（12）:17-20.2 陳 永 燦,許 協(xié) 慶. 射流對(duì)下游河床沖 擊作用的數(shù)值模擬 j.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展 ，1992（3）：52-55.3 劉 沛 清. 挑射水流對(duì)巖石河床的沖刷機(jī)理研究d. 北 京 ：清華大學(xué)博士學(xué)位論文 ，1994:37-38.4 韓 占 中 ，王 敬 ，蘭 小 平 . fluent-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例 與 應(yīng) 用m. 北 京 ：北京理工大學(xué)出版社 ，2004:102-131.圖 3 平面 5 的流通分布圖和流速值散點(diǎn)圖fig.3 circulation distribution and velocity values of plan

12、e 5表 2 射流軸線流速在沿軸線縱平面上的最大值table 2 maximum value of jet axis flow rate along the axis on vertical plane沿射流軸線縱剖面 135射 流 軸 線 流 速 um/m/s9.407.304.105吳 子 牛 . 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) 基 本 原 理 m. 北 京 ： 科 學(xué) 出 版 社 ，2001:127-129.責(zé)任編輯 楊明慶 (下轉(zhuǎn)第 34 頁(yè))以上研究結(jié)果顯示 ，當(dāng)入射 水 流 流 速 u010m/s、流 程 s1m 時(shí) ，射流在進(jìn)入消能池后擴(kuò)散不充分 ，流 速 難 以 降 低 ，中心軸線流速

13、依然非常大 ，高 速 射 流參考文獻(xiàn)：6 egloffstein,t.a. natural bentonites -influence of the ionexchange and partial desiccation on permeability and self -healing capacity of bentonites used in gcls j. geotextiles and geomembranes. 2001（19）:427-444.7 j.s.mccartney, j.g.zornberg. reliability -based stability analysis

14、considering gcl shear strength variability j. geosynthetics international. 2004(3):212-232.責(zé)任編輯 楊明慶1 陳 小 紅 ，王 協(xié) 群. gcl 的氣體滲透性研究j. 人 民 長(zhǎng) 江,2009(3):84-86.2 張 益 ，陶 華 . 垃 圾 處 理處置技術(shù)及工程實(shí)例 m. 北 京 :化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社,2002:39-52.3 繆 林 昌 ，劉 松 玉 等 . 環(huán)境巖土工程學(xué)概論 m. 北 京 :中 國(guó) 建 材 出 版 社,2005:112-114.4 南京水利科學(xué)研 究 院 . 土工合成材

15、料測(cè)試手冊(cè)m. 北 京:水利水電出版社,1991:79.5 李 明 飛 ，金 泉 繁 良 ，周 藍(lán) 玉 . 多層土工合成材料受力特性 有 限 元 研 究 j. 沈陽(yáng)建筑工程 學(xué) 院 報(bào) (自 然 科 學(xué) 版 ),2003(上接第 27 頁(yè))theoretical calculation and numerical simulation of single horizontal submerged jetgao yong-hui, wang xin-jian(shangqiu normal college, shangqiu 476000, henan, china)abstract: by t

16、heoretical analysis method, this paper uses jet flow central axis flow velocity test deduceformula of single horizontal submerged jet under pure water state to calculate the central axis maxim flow velocity of different flows. by using fluent fluid calculation software, researching single horizontal

17、 submerged jet numerical simulation to get the central axis maxim flow velocity of related flow and to compare with the theoretical result, this paper verifies the feasibility and veracity of cfd flow calculation software to submerged jet research.key words: submerged jet; energy dissipation facilit

18、y; cfd; numerical simulation; pressure field analysis;energy dissipation333333333333333333333333333333333333333333333黃河水院 11 項(xiàng)自然科學(xué)研究項(xiàng)目經(jīng)河南省教育廳批準(zhǔn)立項(xiàng)2011 年 4 月 1 日，黃河水院 11 項(xiàng)自然科學(xué)研究項(xiàng)目經(jīng)河南省教育廳批準(zhǔn)立項(xiàng)，這些項(xiàng)目及 主持人是：（1）王衛(wèi)東主持的基于云計(jì)算技術(shù)的高校學(xué)生信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，資助經(jīng)費(fèi) 1 萬(wàn)元；（2）楊中華主持的高職院?！皪徴n證一體化”教學(xué)支撐系統(tǒng)研究與實(shí)踐，資助經(jīng)費(fèi) 1 萬(wàn)元；（3）曹 建春主持的自主學(xué)習(xí)型網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與