浮力射流在悬浮液中的输运机理及卷积特性基础研究

It is essential to fully understand the transient behavior and intrinsic laws of buoyant jets in solid-liquid suspensions if we want to effectively and optimally use their transport mechanisms and entrainment characteristics in environmental improvement and industrial applications. Nevertheless, this understanding is currently lacking. The flows of buoyant jets in suspensions are multi-scale (laminar, turbulent, and transitional) and multi-phase (water and micro solar particles such as cyanobacteria and chemical particles) and their transport mechanisms and entrainment characteristics are very complicated. In this project, we will comprehensively use the cutting-edge DNS and LES numerical simulation techniques, PIV experimental facilities and scaling analysis to carry out an in-depth investigation of the three-dimensional transient flow behavior of buoyant jets in suspensions. It will reveal the transport mechanisms and entrainment characteristics of buoyant jets in suspensions and explore the effects of the non-Newtonian fluid behavior of the suspensions on the entrainment, instability and turbulence generation in buoyant jets. It is expected that this project will establish the scaling laws between the representative parameters of the entrainment and mixing of buoyant jets in suspensions and the governing parameters of the flows. The project will also develop new sub-scale turbulence models used for the LES of non-Newtonian fluid flows of this type. The outcomes of this project will provide insightful new knowledge for fluid mechanics, turbulence theory, engineering hydraulics and environmental sciences.

为了有效和合理地利用浮力射流在固-液悬浮液中的输运机理和卷积特性于环境治理和工程技术应用中，了解和掌握其瞬时流动特征和内在规律是至关重要的。但目前这方面的研究工作还十分欠缺。浮力射流在悬浮液中的流动涉及多尺度流动（层流、湍流和转捩流）和多相流动（水和固体污染微粒如蓝藻及化学生物试剂），其三维瞬时输运机理和卷积特性是十分复杂的。本项目综合利用目前处于研究前沿的DNS和LES 数值模拟方法，PIV实验方法以及标度分析等研究手段对浮力射流在悬浮液中的三维瞬时流动行为进行深入研究，揭示浮力射流在悬浮液中的输运机理和卷吸掺混特性，探索非牛顿流动特性对浮力射流的卷积、失稳和湍流形成的影响，建立表征浮力射流在悬浮液中卷积掺混程度的参数与流动的控制参数和悬浮微粒的特性参数之间的物理数学模型，并开发用于非牛顿流动的新型亚格子LES湍流模型，为流体力学、湍流理论、工程水利学、环境科学等提供新内容。

处于转捩区间的负浮力射流在固-液悬浮液中的的非对称过渡和非对称特征是揭示射流中的湍流产生机制的关键所在。本项目综合利用数值模拟、PIV实验、以及标度分析等方法对处于转捩区间的负浮力射流在线性分层悬浮液中的失稳模式、输运机理和卷吸特性展开了深入的研究；建立了表征卷积掺混程度的参数与控制参数之间的物理数学模型；同时也对交叉剪切流在分层悬浮液中的非稳定性和相干性特征、非稳态自然对流的流动特性、空腔内非稳态复合自然对流特性,以及它们在储热水箱中的应用等方面展开了深入的研究。获得了一系列研究成果，为了解流动的失稳、卷积和湍流产生的内在规律提供了重要的数据和科学依据，因而具有较为重要的科学意义和理论价值。..本项目的主要成果包括：..当Fr或Re较低时，负浮力射流一般能始终保持对称特征；但当它们较大时，对称性只呈现在早期发展阶段，而后失去对称性，但环境流体的温度分层（s）对流动的稳定，甚至消除非对称性起到积极作用。Fr和s对负浮力射流特征参数有显著的影响，但Re的影响较小。..多个等同的圆形射流的相互作用以flapping运动和bobbing运动为主。在稳态相互作用中，它们只在初始发展阶段出现，而后消失。在非稳态相互作用中，这些运动始终存在。在弱多模式非稳态相互作用中，非稳模式不超过3个，但在强多模式非稳态相互作用中，非稳模式超过3个。弱和强多模式非稳态相互作用分别集中于中等和高Re/Fr值。..交叉剪切流在分层悬浮液中共有四种非稳模式。处于非稳模式时其相干性的主要特征是径向的涡流卷积与流向的“猫眼状漩涡”共存。当增大时，从流向的Kelvin-Helmholtz非稳模式向径向的涡流卷积的能量转移也相应增大，交叉剪切流在分层悬浮液中的混合影响也随的增大而增大。..浮力射流导致储热水箱内的冷热水产生了混合，对热性能带来很大的影响。排水流量越大，掺混越剧烈，能取出的可用热水越少，而水箱内的热水温度分层度对取水时冷热水的掺混有抑制作用，且温度分层度越高，抑制作用越明显。