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环境湍射流的若干探索性研究 余常昭 李玉梁 陈朝泉 (清华大学水利水电工程系) 摘要本文报导采用激光诱导荧光测量和数字图像处理及热膜测速仪等手段对环境湍射 流特性进行研究的若干进展。包括三部分成果：(1)对往复潮流中底部多孔垂向湍射流，取得 全潮周过程浓度场的完整贽料，分析了流态演变的练体特性；发现污染云团的现象；研究了射 流浓度沿轴线的衰减，断面上浓度分布的相似性和对称性：射流与潮流的动量比和潮流加速度 的作用。(2)对圆形湍射流的卷吸，导出卷吸流量与卷吸涡特性参数的关系；得出卷吸流速系 数及射流流量增大系数与出流雷诺数的关系．(3)对湍射流的分形特性，从湍射流的PLIF图 像，求得静水中射流分维的沿程变化及随相对浓度的变化；探讨了定常横流和潮流中射流分维 与动量比、稀释度及加速度的关系。 关键词环境湍射流．激光诱导荧光技术，非定常浓度场，卷吸，分形．分维 1引言 水环境中排污出流其性质属于湍射流，对这种环境射流及其诱生的近区流动，国内 外研究工作虽已不少，但纳污环境多为定常情况，在非定常环境如有潮汐的往复横流中 则研究很少。而且在射流的机理方面也还有待深入。为此，近年我们科研组对往复潮流 中排污射流的流场和浓度场，以及湍射流的卷吸掺混机理和分形特性等问题作了若干探 索性的研究。 考虑到这类问题的复杂性，我们认为应从实验着手，力争掌握准确完整的实际资料， 找出其定性的特征，再尽可能对某些问题总结出定量的规律性成果。因此依靠传统的一 般实验手段和方法是不能满足要求的，而须寻找引用近代新的实验技术和资料的处理分 析方法。以下分别对三个问题的工作和成果进行介绍。 2往复潮流中底部多孔湍射流的浓度场特性研究 2．1实验设备和方法 由于流动的非定常性，改进实验方法的主导思想是将传统的逐点测量改为全流坜的 同步测量，同时为减免接触式仪器对流场的干扰改用非接触式的测量，主要是用摄影的 方法拍取图像，再进行数字图像处理。速度场的测量是用铝粉作为示踪粒子。浓度场的测 量是采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)，当激光片光照射荧光物质溶液时，诱发的荧光 ·9l· 强度与物质的浓度有一定的关系，这样由测量含荧光物质的射流的荧光强度分布便可得 到物质的浓度分布。实验所用的荧光物质是荧光素钠。 整个实验设备系统分两大部分：(1)潮流及排污模拟实验系统，由水槽进出流及污 染物排放系统、尾门控制系统、水位流速同步采集系统和光路及摄像系统四部分组成。(2) 20工作站通过网络连接 计算机图像处理系统，由SGIIndi902／lmpact工作站和SunSpal’c 而成。设各细节及量测方法原理等详见参考文献f”。 为了获取非定常潮流中这种射流浓度场的完整资料，实验时是沿顺流垂向和沿水平 两个方向的截面分别进行测量的，包括9个顺流垂向截面和7个水平截面，共取得了4 组潮流工况中浓度场随潮流的变化过程资料。通过分析得到以下的主要成果。 2．2潮流中射流综体形态及浓度场的演变 在全潮周过程中，射流在往复潮流的作用下，涨潮时摆向上游，落潮时摆向下游， 在潮流速度为零的短暂憩流时刻，射流基本上是由底郭向上射到水面，图】表述一个特 定工况1中在通过射流中心的顺流垂向截面上测得的射流浓度等值线的演变，因浓度是由 示踪物质所反映，故此图也表示了全潮周过程中射流截面形态的演变。从图中可见落潮 时间阶段较长，涨潮时间阶段较短，在涨潮、落潮阶段，射流下面至槽底间都出现一个 回流区，流态相对稳定。在憩流(图I中时刻6)前后则流态较不稳定。在相对稳定阶段， 和定常情况相似也可将整个射流分为基本上是垂向的起始段、弯曲段和顺流贯穿段(图1 时刻4，文献[2】)，分段的范围和形态也随时间变化，流场的性质主要取决于潮汐横流与 排放射流作用的消长，可用射流动量Mi与横流动量M。的比值R。来衡量。在本实验动量 比 Rm n’㈩ 吣鲁=蔷罟2菌。毒舌 式中V；、u分别为射流入射速度和潮流速度，D为射流直径