排海污水浮射流在波流环境中的动力特性及其稀释过程

The dynamic processes of buoyant jets, induced by the coastal wastewater discharge, and their impacts on the ambient environment are very important for the high-resolution dynamic forecasting of environmental water quality in the coastal zone. How to accurately account for the effects of combined wave and current action on the buoyant jets is one of key problems to be solved. Following the previous study on the dynamic characteristics of buoyant jets under the pure wave environment, this study will focus on the jet dynamic behaviours and dilution processes under the co-existing wave and current environment. The jets' three-dimensional flow patterns and their forming reasons will be investigated, and then the distribution of velocity and concentration fields as well as the wastewater dilution processes will be quantitatively examined. The outcomes of this study could be used to predict the distribution of pollution concentration in the near field as well as the initial concentration at the beginning of the far field. Therefore, this study is of theoretical significance in the enrichment of the fundamental theory of buoyant jets in complex dynamic environments, as well as of practical significance in the improvement of modelling accuracy for the large-scale environmental forecasting.

排海污水浮射流的运动过程及其环境效应是近海水环境高精度动态预报急需解决的关键科学问题，其难点在于如何正确反映波浪和潮流（水流）环境对浮射流在近区段扩算和稀释过程的影响。本项目在申请人已完成的"波浪作用下浮射流动力特性研究"的基础上，进一步考虑波浪和水流共同作用的影响，采用物理实验、数值模拟和量纲分析相结合的方法，重点研究波流共同作用下浮射流的三维运动形态，分析波浪、水流和浮射流之间的动力耦合机制，探究波流环境中浮射流的紊动结构和流场特征；在此基础上进一步研究波流环境对浮射流稀释过程的影响，建立沿程稀释度与动力因子之间的相关关系，预测浮射流近区段污水浓度的时空变化，确定浮射流到达远区段时污水浓度的大小。本项目的研究成果对于完善近岸海域水环境的预报技术、指导排污工程的科学布局、丰富复杂动力环境下浮射流运动的基础理论，促进海岸动力学和环境水力学等交叉学科的发展有着重要的现实意义和科学价值。

随着社会经济的快速发展，我国近海水域正承受着巨大的环境压力。为了科学开展污染治理，有必要深入研究沿海地区污水集中排放对周边环境的影响。本项目以波流环境下浮射流为研究对象，综合采用物理实验、数值模拟和量纲分析方法，重点关注波浪和水流共同作用下排海污水浮射流的运动特征和稀释过程。本项目主要研究了波流环境下浮射流的基本运动形态及其动力学成因、速度场和浓度场时空分布规律、沿程稀释度与各动力要素之间的定量关系。所取得的主要研究成果为：攻克了激光难以穿过波动表面进行准确测量的技术难题，搭建了基于PIV/PLIF技术的波流环境下浮射流实验测量平台；改进了三维数值波浪水槽的入口边界条件，论证了入口边界条件中波浪和水流非线性效应对提高模拟精度的重要性，基于三维大涡数学模型，构建了适用于规则波、不规则波、横流、波流环境下浮射流的通用数值水槽；解析了波流环境中垂向圆管浮射流的三维结构，发现了射流的“污染物云团”现象，基于“瞬时射流比”和“主动掺混”的假设，系统阐述了“污染物云团”形成的机理，揭示了“污染物云团”对射流稀释过程独特的影响机制；提出了射流的三维浓度特征指标，波流特征速度、射流特征长度、斯特劳哈尔数等特征参数，首次建立了浓度特征指标与波浪、水流、射流特征参数间的经验关系。本项目已发表论文16篇（其中SCI论文6篇，EI论文6篇），出版专著1部，获得发明专利授权3项，实用新型专利授权2项，培养博士研究生2名（1人次获得江苏省优秀博士论文）、硕士研究生3名。本项目的研究对复杂海岸动力环境下污水排放初始阶段的运动特征和稀释过程有了更加清楚的认识，丰富了浮射流的基础理论，促进了海岸环境水力学这一交叉学科的发展，完善了海岸地区水环境的模拟与预报技术，对污水排海工程的实施和环境评估具有一定的指导意义。