脉冲水射流冲击壁面非定常水力特性及冲刷机理研究

Pulsed submerged impinging jet is a kind of complex flow which has both significant theoretical research value and great engineering application background. This research on the unsteady hydraulic characteristics and erosion mechanism generated by pulsed submerged impinging jet can significantly enrich the classical theory of impinging jet, deepen our understanding of the jet-wall interaction mechanism, and hence provide scientific basis for engineering applications. In order to systematically investigate this problem, this study will be conducted by jointly using PIV flow field measurement, high-precision pressure measurement and laser distance technique, in combination with numerical simulation. Emphasis will be put on investigating the effects due to the variation in Reynolds number, impact angle, impact distance and pulse cycle of the pulsed jet on its hydraulic characteristics and erosion capabilities. The mean and instantaneous flow fields will be compared and analysed to grasp the time-dependent nature of the pulsed jet. Also, this study will reveal the generation, and subsequent development and evolution processes of the internal vortcial structures, so that the amplitude and spectrum characteristics of dynamic pressure in the impacted region, as well as the distribution and propagation law, can be obtained. The geometric characteristics of the scour holes and the sand dunes formed by the impact of the pulsed jet will be measured and analysed. The objective this project is to stablish the mapping functions between the external geometric characteristics of the pulsed jet and the internal flow characteristics, the impact pressure characteristics and the erosion performance characteristics, and some correlation law among the latter three will be proposed.

脉冲式淹没冲击射流是一种具有重要理论研究价值和重大工程应用背景的复杂流动，对其展开非定常水力特性及冲刷机理研究，不仅有助于丰富经典的冲击射流理论，深化对冲击射流与壁面相互作用机理的认识，还能对所涉及到的工程应用问题提供科学依据。本项目将综合采用PIV流场测量、高精度压力测量、激光测距技术及数值计算对其展开深入研究，着重分析雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对脉冲式淹没冲击射流水力特性及冲刷性能的影响规律，掌握脉冲水射流冲击壁面形成的时均流场及瞬态流场的变化规律，揭示其内部各种涡旋结构的生成、发展及演化过程，掌握冲击壁面区域动态压力的幅值特征与频谱特征，了解其沿程分布及传播规律，获得脉冲水射流冲击沙面形成的沙坑及沙丘的表面几何特征，并分别建立射流的外部几何特征与内部流动特征、冲击压力特征及冲刷性能特征的函数映射关系，最终实现后三者的关联性构建。

淹没冲击射流是一种经典的射流流动，它广泛存在于各种工程领域中，如直升机的起降过程、射流清淤工程、冷却及加热过程等。淹没冲击射流流动状态复杂，对其开展研究具有重要学术价值。本项目综合采用了PIV流场测量、高精度压力测量、激光测距技术及数值计算方法，对脉冲式淹没冲击射流的流场、冲击压力及冲刷特性进行了深入分析，得到了以下结果：（1）雷诺数Re对冲击射流内部流场的无量纲化速度分布和压力系数分布影响较小。（2）冲击射流流场结构高度依赖于冲击角度。随着冲击角度增加，壁面射流横向扩散增强，厚度逐渐减小。竖直冲击射流的滞止点及与冲击原点重合；随着冲击角度减小，滞止点逐渐远离冲击原点；当冲击角度为30度时，滞止点消失。冲击壁面上的压力Cp受冲击角度 的影响较大，随着冲击角度的增加，最大冲击压力Cpmax不断增大，且其出现的位置也逐渐靠近冲击原点；最大冲击压力Cpmax与冲击射流竖直方向的速度分量Vz呈现线性相关。当冲击角度逐渐增大时，对应冲击沙床形成的冲坑及沙丘形状也发生改变，均由椭圆逐渐变成圆形，其冲击而成的沙丘也由月牙形逐渐变为环形。（3）随着冲击高度的增加，斜向射流到达冲击区时扩散程度逐渐增加而速度逐渐减小，滞止点距冲击原点距离先减小后增大。射流轴心线上的流动角在自由射流区保持恒定，在冲击区迅速减小。随着射流高度的增加，斜向水射流冲击沙床得到的沙坑及沙丘在极值与宽度方面均呈现上升趋势。（4）脉冲射流出口附近的中心线速度的时间历程表明，脉冲射流起始状态下的演变过程包括两个阶段，即阶段I（快速上升）和阶段II（轻度加速），每个阶段具有不同的斜率（加速度），最后到达稳定状态。射流演化的每个阶段都以不同的涡旋模式为特征：在第一阶段涡旋环形成和发展，在第二阶段前导涡环和尾涡环相互作用，形成较多的小尺寸K-H型涡旋。长管射流的独特特征是阶段II的存在。本项目可以为江河清淤工程提供理论参考。