采用PLIF技術(shù)的水平浮射流試驗研究

王勇，趙永俊，丁文浩，徐世凱，趙金簫

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 10098；3.水利部太湖流域水治理重點實驗室，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

在工業(yè)排污、火（核）電廠冷卻水及生活污水排放中，經(jīng)常會遇到射流排放流體與受納水體存在密度差的異重射流。異重射流中最常見的就是電廠冷卻水排放中的浮射流問題。近年來，對靜止環(huán)境中和同向流動條件下的射流進行了較為系統(tǒng)的試驗測量，對其流動規(guī)律建立了較好的理解。然而，對于更加復雜、更加具有實際意義的橫向流動條件下的浮射流，由于存在著浮射流與橫向流動之間的相互作用，導致其流動現(xiàn)象更為復雜。因此，系統(tǒng)、全面地研究橫向流動條件下水平浮射流的三維流動規(guī)律具有重大的理論和實際意義[1，2]。

1 物理模型試驗系統(tǒng)

在溫排水和排污工程中，當溫水或污水側(cè)面水平排入密度較大的環(huán)境水體時，就出現(xiàn)了橫向流動下的水平浮射流。根據(jù)已有的研究，橫向流動條件下的水平浮射流可近似地分為近區(qū)、彎曲段和隨流擴散段[3，4]。

在射流近區(qū)，射流的初始動量對射流特性影響較大，射流的軌跡在橫流的影響下略有彎曲。在射流彎曲段，射流速度逐漸降低，射流與橫流速度相近，橫流對射流特性的影響逐漸增強。在隨流擴散段，射流在橫流作用下完全彎曲，流動方向基本與橫流方向一致。但是，從一個區(qū)域向另一個區(qū)域的過渡是逐漸的，不是截然區(qū)分的，因而對于不同區(qū)的范圍，沒有一個唯一的標準[5-7]。橫向流動條件下水平浮射流流動分區(qū)見圖1。

圖1 橫向流動條件下水平浮射流流動分區(qū)示意圖

文中建立了橫向流動條件下水平浮射流試驗水槽，對坐標系統(tǒng)的規(guī)定：x——沿水流方向即水槽的縱向（環(huán)境水體方向為正），沿水流方向為正；z——垂向，向上為正；y——沿水槽的橫向，排水口射流方向為正；排水口中心為坐標原點。試驗系統(tǒng)坐標見圖2。

圖2 試驗系統(tǒng)坐標

文中利用PLIF 技術(shù)研究了橫向流動條件下水平浮射流的混合特性。PLIF 技術(shù)原理：每種物質(zhì)分子都有其電子能級，當吸收特征頻率的光子后，可由基態(tài)躍遷至不同能級的激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，通過輻射躍遷和非輻射躍遷等分子內(nèi)的去活化過程釋放多余的能量而返回基態(tài)。在輻射躍遷的去活化過程中，產(chǎn)生光子的發(fā)射，并伴隨著熒光現(xiàn)象。由于激發(fā)和發(fā)射之間存在一定的能量損失，產(chǎn)生熒光的波長總是大于激發(fā)光的波長，這就為分離激光和熒光提供了可能。熒光產(chǎn)生的外部條件需要理想的激光光源，因為激光光源具有方向性好、能量高度集中、光子通量大和單色性好等許多優(yōu)點[8-10]。

2 物理模型試驗成果分析

針對不同的水流條件和不同位置共進行了5組試驗，其中排水口直徑D= 0.8 cm，排水口中心距離水槽底部20.0 cm，水深為24.0 cm。試驗工況見表1。

表1 試驗工況

本文利用PLIF 技術(shù)，對橫向流動條件下水平浮射流在不同位置豎直截面的溫升場進行了試驗，對比了豎直截面相同流速比和不同流速比的溫升分布。通過研究不同流速比、不同位置的溫升分布來闡明橫流中水平浮射流的混合特性。試驗中的環(huán)境水溫為17.5 ℃、射流出口水溫為37.5 ℃。圖3為不同流速比、不同位置的溫升場豎直截面圖。

從圖3中可以看出，在y=4.0 cm 的射流豎直截面上，當出口流速比R分別為13.2，9.5，7.4 時，射流的時均溫升場豎直截面形狀分別對應(yīng)腎形、馬蹄形結(jié)構(gòu)的雛形、充分發(fā)展的馬蹄形結(jié)構(gòu)。在y= 6.0 cm 的射流豎直截面上，當出口流速比R=13.2 時，射流的時均溫升場形狀已經(jīng)為馬蹄形結(jié)構(gòu)；當出口流速比R= 9.5 時，射流的時均溫升場剛分成了兩股，但是馬蹄形結(jié)構(gòu)后的“兩翅”還不夠明顯；當出口流速比R=7.4 時，射流時均溫升場馬蹄形結(jié)構(gòu)的后“兩翅”被拉得較長，流動明顯分為兩股，形成分叉現(xiàn)象。在y= 8.0 cm 的各工況射流豎直截面上，馬蹄形結(jié)構(gòu)都已經(jīng)消失。說明橫向流動條件下水平浮射流的時均溫升場形狀隨著流速比的變小，經(jīng)歷了從腎形到馬蹄形結(jié)構(gòu)，再到出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，最后馬蹄形結(jié)構(gòu)消失的過程。

圖3 不同流速比不同位置的溫升場豎直截面圖

橫向流動條件下，水平浮射流時均溫升場的腎形和馬蹄形結(jié)構(gòu)主要是橫流和水平射流共同作用的產(chǎn)物。如圖4所示，射流主區(qū)域附近存在一個類似圓柱繞流的流動，當射流與橫流相遇后，在射流的迎流面正中附近區(qū)域，出現(xiàn)橫流流速趨近于零的點（駐點），在迎流面上下兩側(cè)橫流發(fā)生分離，并加速從射流兩側(cè)流過，這樣水平射流上下兩側(cè)就形成一對對稱的繞流。此時，在射流和橫流的交界面上存在著較大的速度差和較強的剪切作用，正是由于這種剪切作用，在水平射流上下兩側(cè)出現(xiàn)了一對反向渦，促使了水平射流腎形和馬蹄形結(jié)構(gòu)的形成，進而形成了溫升場的分布形狀。

圖4 水平浮射流上下兩側(cè)的一對反向渦

水平浮射流時均溫升場形狀的發(fā)展主要受到橫流和水平射流的共同作用。當出口流速比較大時，射流的初始動量對射流特性影響較大。射流的特性與靜水中射流相似，射流的軌跡在橫流的影響下略有彎曲，射流的時均溫升場豎直截面形狀為腎形。隨著流速比的變小，橫流對射流特性的影響逐漸增強，產(chǎn)生的剪切作用也相應(yīng)增強。射流的時均溫升場截面形狀逐漸發(fā)展為馬蹄形結(jié)構(gòu)，并且出現(xiàn)馬蹄形結(jié)構(gòu)后的“兩翅”。隨著射流的進一步發(fā)展，橫流的作用逐漸占主導地位，馬蹄形結(jié)構(gòu)的“兩翅”逐漸被橫流拉伸、變長，兩分叉由于相互的摻混作用逐漸合二為一，并趨于均勻化，馬蹄形結(jié)構(gòu)逐漸消失。射流流動方向與橫流方向趨于一致，并最終與橫流完全摻混。對比相同出口流速比條件下射流在不同截面上的時均溫升場形狀，同樣可見，隨著y值的增加、流速比的變小，射流經(jīng)歷了從腎形到馬蹄形結(jié)構(gòu)再到出現(xiàn)分叉，最后馬蹄形結(jié)構(gòu)消失的過程。

3 結(jié)語

橫流中水平浮射流溫度場垂直剖面經(jīng)歷了一個從腎形結(jié)構(gòu)到馬蹄形結(jié)構(gòu)再到分叉，最后兩個分叉相互混合的過程，其中射流速度比是最重要的影響因素。PLIF 技術(shù)在環(huán)境水力學及水工水力學物理模型試驗研究中的應(yīng)用前景較廣，可以在眾多科研項目中發(fā)揮重要的作用，對于提高水力學模型試驗的研究水平有較大的意義。