波浪环境下圆孔倾斜射流近区水动力及稀释特性研究

Coastal environmental pollution is so serious that wastewater discharge become one of the most serious problems nowadays in China. The key problem is to design the mode of the waste water discharge scientifically and choose the region of waste water letting, which depends on the deeply understanding the near field behavior of combined wave and current action on the jets. The inclined jet design is widely used in the waste water discharge engineering for its higher initial dilution. However, the near field dynamic behaviors and dilution process of the inclined jet under the wave environment is important but seldom studied. In this project, using the experimental method, theory and numerical simulation will be used to study the interaction between the wave environment and inclined jet. The inclined jets' flow patterns and their forming reasons will be investigated firstly, and then the distribution of velocity and concentration fields as well as the wastewater dilution processes will be quantitatively examined. Dimensional analysis and momentum integral model will 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 jets in complex dynamic environments, as well as of practical significance in the improvement of modelling accuracy for the environmental forecasting.

为应对我国日益严峻的沿海环境污染问题，高效的污水海洋处置成为可行的方案之一，在众多的排污口设计方案中，倾斜排放是一种典型的排放形式，然而波浪环境下的倾斜射流机理研究较少。针对这一问题，本项目采用物理实验、量纲分析与动量积分相结合的方法，在已有的研究基础上进行三方面的工作：（1）自主搭建实验平台，采用数字图像测速技术（PIV）和激光诱导荧光技术（LIF）对波浪作用下的倾斜动量射流进行三维测量，对不同倾角、波浪条件下射流三维形态、运动轨迹、半宽变化规律等特性进行定性描述及定量研究；（2）采用量纲分析法，分析不同条件下各动力因子的敏感程度，建立其相关关系，得到波浪作用下倾斜射流近区各特征物理量的半经验半理论公式；（3）修正传统意义的自相似假设和卷吸假定，建立适用于波浪条件下倾斜射流近区水动力及稀释特性的动量积分模型。本项目的研究成果可丰富复杂动力环境下射流运动的基础理论，具有重要的科学和工程意义

本项目以物理实验为基础，结合量纲分析及动量积分数值模拟的方法，针对波浪环境中不同排放角度下的圆管倾斜射流运动及稀释特性开展了系统地研究。分析波浪环境中各排放角度射流的瞬时和时均的速度场异同，探究排放角度对射流水体紊动强度影响。在此基础上，进一步研究波浪环境中各排放角度倾斜射流的浓度分布特征及稀释过程，建立了不同排放角度下轴线稀释度与特征参数之间的相关关系。主要研究内容及成果如下：.（1）利用波浪水槽、射流发生装置以及粒子图像测速及激光诱导荧光（PIV/PLIF）测量系统，搭建了波浪环境下的射流实验平台。设计了射流起始速度与波浪特征速度比Rw为5~40的一系列实验组次，开展了波浪环境中不同排放角度射流的速度场及浓度场的实验研究，为分析各排放角度射流的水动力及稀释特征提供了可靠的实验数据。.（2）依据动量积分原理，假设射流体在射流口附近已经完全发展成紊动射流，其速度和密度分布可以用高斯相似来表示。将波浪运动视为外力导入二维浮射流的运动方程中，依据波浪的周期运动特性及浮射流动量守恒的原则，经由断面积分推导出流场的控制方程。应用波浪场辐射应力理论，提出动量交互作用的方程，经由数值计算可以求出射流完全发展区内波浪周期平均的中心轴速度变化、密度差异变化及浮射流轨迹发展变化等物理量。.（3）分析倾斜射流近区的速度场和浓度场发现，当排放角度逐渐接近90°时，射流速度场和浓度场分布范围扩大，横断面时均速度及浓度分布的双峰特征趋于显著，越接近排放口处的射流水体紊动强度也越大。分析各排放角度射流的轴线稀释度分布发现：逆向射流的轴线稀释度高于对称角度的顺向射流。为使研究成果更具通用性，本项目提出了倾斜射流的波浪特征速度参数，对实验数据进行了无量纲化处理，建立了波浪作用下倾斜射流轴线稀释度的半理论半经验公式。