层流圆管潜射流生成蘑菇型涡结构特性实验

利用溢流恒压装置产生具有稳定出流速度的层流圆管潜射流,结合染色液流态显示方法,在多种射流时间和雷诺数组合下,实验研究了该射流动量在密度均匀黏性流体中的演化机理及其表现特征,定量分析了蘑菇型涡结构的无量纲射流长度L、螺旋型涡环半径R及其包络外形长度d等几何特征参数随无量纲时间t的变化规律.系列实验结果表明,蘑菇型涡结构的形成与演化过程可分为3个不同的阶段,分别为启动阶段、发展阶段和衰退阶段.在启动阶段,L和d随t线性变化,而R则近似为一个常数.在发展阶段,蘑菇型涡结构的演化具有自相似性,在各种射流时间和雷诺数组合下,L,R和d与t 1/2均为同一正比关系,而且实验结果与基于斯托克斯(Stokes)近似的理论解结果一致.在衰退阶段,蘑菇型涡结构会发生两类形式的演化,第1类衰退出现在射流结束之后,其间L和R与t 1/5相关,而d近似为一个常数;第2类衰退出现在射流结束之前,当射流动量达到某个临界值后,蘑菇型涡结构就会发生破碎等现象.

圆管潜射流生成偶极子涡特性实验

利用溢流恒压装置产生具有稳定出流速度的圆管潜射流,结合染色液流态显示方法,在多种射流无量纲潜深d/H、雷诺数Re以及限制数C的组合下,实验研究了该潜射流动量在有限深密度均匀流体中的演化特性,其中d为射流潜深,H为水深.研究表明,当C<1时潜射流表现为深水特征,而当1≤C<2时潜射流表现为过渡特征,在这两种情况下均不产生任何形式的大尺度相干结构;当2≤C<10时潜射流表现为浅水特征,而C≥10时潜射流表现为极浅水特征,在这两种情况下均产生大尺度的偶极子涡结构.对极浅水特征潜射流,在各种无量纲潜深下,偶极子涡结构的无量纲形成时间t*f与无量纲射流时间T*inj均满足相同的正比例关系;对浅水特征潜射流,当d/H=0.5时,t*f与T*inj满足某种线性关系,但对其他无量纲潜深,t*f与T*inj之间无明显规律.

层流圆管潜射流生成蘑菇形涡结构特性数值研究

基于不可压Navier-Stokes方程,采用计算流体力学方法,数值模拟与分析了层流圆管潜射流在密度均匀黏性流体中的演化机理及其表现特征,定量研究了蘑菇形涡结构无量纲射流长度L*、螺旋形涡环半径R*及其包络外形长度d*等几何特征参数随无量纲时间t*的变化规律.数值结果表明,蘑菇形涡结构的形成与演化过程可分为三个不同的阶段:启动阶段、发展阶段和衰退阶段.在启动阶段,L*和d*随t*线性变化,而R则近似为一个常数;在发展阶段,蘑菇形涡结构的演化具有自相似性,L*,R*和d*与t*1/2均为同一正比关系,而且雷诺数和无量纲射流时间不影响该正比关系;在衰退阶段,L*和R*正比于t*1/5,而d则近似为一个常数.此外,还对蘑菇形涡结构二次回流点、动量源作用中心及其几何中心的速度变化规律、垂向涡量分布特征和涡量-流函数关系进行了分析.

浅水圆湍射流流场特性数值模拟

该文使用计算流体动力学CFD方法,基于不可压缩的Navier-Stokes方程,对圆管湍流射流在浅水密度均匀流体中的流场演化进行了数值模拟。在圆管湍流射流过程,运用Realizable k-ε的雷诺时均RANS模型;射流停止后,采用大涡模拟方法模拟大尺度漩涡在背景流体中的演化。为了考虑自由面的影响,计算域设置了空气层,并采用流体体积函数VOF方法对自由表面进行追踪。在不同的水深约束参数和雷诺数的组合下,对偶极子涡的速度场与涡量场的变化特性、垂向运动特征、涡量-流函数的变化特性以及动能和动量的演化规律等方面进行了分析,结果表明:不同水平面上偶极子涡的速度矢量场之间在涡的前端表现出较大差别,涡的前端存在垂向环流现象,流场具有明显的三维运动特征。不同水平面上垂向速度梯度的峰值和该平面上垂向涡量的峰值差不多大,垂向速度梯度不能忽略,再次证实了偶极子涡垂向运动现象的存在。偶极子涡主流动的涡量和流函数之间存在非线性关系,其散点图由中心对称的两个形似"镰刀"状的分支组成,并且随着时间的推移,"镰刀"状的区域逐渐变窄。偶极子涡主流动所在平面上的动能和动量在不同工况下均逐渐衰减,但动量的衰减速率会因自由表面及底部边界条件的影响而发生明显波动。