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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 同轴三维射流特性研究 魏小华 槐文信 曾玉红 雒文生 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室 湖北武汉 摘要 在 双方程紊流模型的基础上 结合混合有限分析交错网格法 对同轴三维非浮力射流进行了数值模拟 得到了三维同轴射流的流动特性和浓度分布特性 将计算所得结果与前人的试验资料进行对比 两者的流动特性 吻合较好 计算给出的浓度在横断面上的分布图以及在不同流速比下的变化规律与解析解的结果基本一致 进一 步验证了数值模型的可靠性 表明建立的紊流数学模型及计算方法是有效的 关键词 同流环境 射流 数值模拟 混合有限分析法 中图分类号 文献标识码 近几年来 在环境水力学领域中对静止环境中的浮力射流研究得较多 且比较成熟 但对流动环 境中水平排放的同轴三维射流尚未引起足够的重视 国内外研究成果也较少 就目前公开发表的文献 来看 有 余常昭 槐文信 等 等的研究工作 他们主要是对同轴水平浮力射流 进行研究 对于同轴纯射流 对该流动的数学模型进行了深入研究 但没有对其流动特性进行深 入分析 本文在前人所做的工作基础上 运用 双方程紊流模型 对同轴纯射流进行了数值计算 并对其流动特性以及断面上污染物浓度分布特性进行了初步探讨 数学模型的建立 数学模型 如图 所示的流动区域 喷口直径为 水深为 环境浓度为 环境流速为 射流出口流速为 浓度为 本 文中污染物仅视为示踪质 对整个流场不产生影响 且射流水体与环 境水体为同一介质 定义环境流速与射流出流速比 ? 主 图 同轴水平纯射流 流方向为 向 水深方向为 向 河宽方向为 向 坐标均从 喷口处算起 作布斯涅斯克假设 即在密度变化不是很大的变密度流动中 密度的变化并不显著改变流体的性 质 即黏滞性等保持不变 密度的变化对惯性力项 压力差项和黏性力项的影响可忽略不计 以喷口流 速 喷口直径 环境浓度 为特征量 可得到如图 所示直角坐标系下三维紊流的无量纲化控制 方程 连续性方程 运动方程 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目 作者简介 魏小华 女 湖北赤壁人 博士生 主要从事水环境学研究 浓度方程 紊动能 方程 紊动能耗散率 方程 式中 分别为 和 方向的流速分量 为液体压力 分别为紊动能及其耗散率 分别 为流体运动黏性系数和紊流黏性系数 ? ? ? ? 为施密特数 为紊流施密特数 模型中的常数为 边界条件 喷口边界条件 壁面边界条件 槽底壁面 槽侧壁面 采用标准壁函数 求解 上游来流边界条件 下游出口边界条件 自由表面边界条件对自由表面作刚盖假定 计算方法及求解 计算工况 本文选取的计算工况如表 所示 为程序计算方便 在数值上定义射流出口流速 则在数值上有 表 计算工况 工况 ? ? ? 计算网格 混合有限分析法 是一种 有效的求解紊流