分层环境流体中转捩区间负浮力射流形成机制及其应用研究

发布时间：2020-04-11 11:42

【摘要】：负浮力射流射入分层环境流体的流动现象广泛存在于自然界和工程应用中。处于转捩区间的负浮力射流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。而环境流体的分层更使这些非对称过渡和非对称特征进一步复杂化。本论文对温度分层环境流体中处于转捩区间(即100≤Re≤400,1≤Fr≤8,0.0≤s≤0.3,这里Fr为弗罗德数,Re为雷诺数,s为无量纲温度分层数)的圆形负浮力射流在分层环境流体中的流动进行一系列的三维直接数值模拟(DNS)计算,并根据计算结果分别定量和定性地分析这些流动的控制参数(即Fr,Re和s)对负浮力射流由对称到非对称过渡、非对称特征、最大射流高度等的影响。研究发现:(1)定量化的切向速度能准确地描述转捩区圆形负浮力射流非对称过渡和非对称行为特征;当圆形负浮力射流保持对称特征时,流场中不同位置的切向速度为零或非常小;而若流场中出现任何非零或不可忽略的切向速度时,则表明负浮力射流已呈现出非对称特征。(2)当Fr数或Re数较低时,负浮力射流一般能在整个时间段内保持对称特征;但当Fr数或Re数较大时,负浮力射流只在早期发展阶段呈现对称特性,而在非对称过渡时间之后,其表现为始终保持非对称,即使处于准稳态阶段也是如此,其表现特征为瞬时最大切向速度值围绕一基本恒定的时均值上下波动。(3)与Fr数和Re数的影响趋势相反,环境流体的温度分层(s数)对负浮力射流流动的稳定和削弱甚至消除射流的非对称特征起到积极作用。(4)根据所得数值结果,利用无量纲标度分析方法,本论文得到了一系列分层环境中负浮力射流特征参数的定量化的关键标度关系式,包括非对称特征的起始时间、初始最大射流高度、时间平均最大射流高度、到达初始最大射流高度的时间等;结果显示,Fr数和s数对这些特征参数有显著的影响,但Re数对这些特征参数的影响相比而言较小。对于负浮力射流在分层环境中的具体应用方面,本论文选取了太阳能应用中一个典型的立式承压储热水箱为分析对象,结合实际运行条件,对储水箱在取水阶段的三种常见流量下的取水特性进行了模拟计算分析。研究发现:(1)无量纲温跃层厚度变化趋势随着流量的不同而不一致,但平均无量纲温跃层厚度随着流量的增加逐渐增厚;大流量工况下,平均无量纲温跃层厚度是中小流量工况下的近两倍;在中小流量工况下,无量纲温跃层厚度虽逐渐增加,但变化并不明显,但在大流量工况时,无量纲温跃层厚度在排水开始阶段非常厚,但随着放水时间增加,这一厚度快速变薄,到无量纲时间0.4后变化趋缓。这主要是因为在开始阶段,进口流量越大,冷热水掺混越明显,但随着冷水区域的扩大,较高的冷水入射动量对高温水层的影响逐步降低所致;排水流量越大,储热水箱内相同位置的冷水区域温度越高;在2.5 L/min和10 L/min的流量工况下,在水箱无量纲0.2高度处的温度差别达到14 K左右,表明排水流量越大,掺混越剧烈,能取出的可用热水越少。(2)储水箱内的无量纲?随着排水时间的增加逐渐减小,且减小趋势基本一致;在同一无量纲时间,排水流量大,储水箱中的无量纲?值也越大,在较大流量(10 L/min)时,无量纲?平均值为0.578,是较小流量下(2.5 L/min)的2.48倍。这一变化趋势说明:随着排水时间的增加,储水箱内的可用热量逐渐减小;排水流量越大,储水箱内的掺混越明显,储水箱内剩余的不可用热量越多,可取出的热量越少。在对不同进水流量对储水箱的放水特性进行分析后,本论文根据实际使用中的常用的中等流量,对温度分层度为5 K/m,10 K/m和20 K/m的三种工况进行模拟计算分析,得到如下主要结果:(1)随着无量纲时间的增加,无量纲温跃层厚度的变化趋势为先减小再增大;不同的分层度下,平均无量纲温跃层厚度变化不明显,其平均值均在0.1左右,表明在不同的温度分层度下,无量纲温跃层厚度的变化并不能反应出水箱内整体的冷热水掺混情况。(2)无量纲?值随着温度分层度的增加和无量纲时间的增加逐渐减小,但温度分层度较大的20K/m工况下,变化趋势不同于温度分层较小的工况;当温度分层度为5 K/m时,平均无量纲?值为0.3263,而当温度分层度为20 K/m时,平均无量纲?值为0.2103,是温度分层度为5 K/m时的64%,表明温度分层度越大,无量纲?值的减小越明显,因而可从储水箱中取出的可用热量越多。这一结果印证了储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;温度分层度越高,这种抑制作用越明显。这一结论与之前研究圆形负浮力射流在分层环境流体中的流动行为所得的关键定性结论完全一致,即环境流体的温度分层对负浮力射流流动的稳定起到积极作用,这种分层削弱甚至消除了射流的非对称特征。(3)储水箱内的平均无量纲?随温度分层度的增加呈线性降低的关系。
【图文】：

示意图,负浮力射流,示意图

第 1 章绪论密度较小的流体中（ρ0>ρa，这里 ρ0和 ρa分别为入射射流密度和环境流体的起始密度），浮力方向向下。本文研究的主要内容就基于这种情况。图 1.1（b）中，温度较高的流体射入温度较低的流体中；比如建筑采暖应用中，热风从上吹入温度较低的房间中就是一种典型的具体应用，即密度较小的流体射入密度较大的流体中（ρ0 ρa），浮力方向向上。在实际工程应用中，流体的入射方向除以上所述的二种典型情况，还有从侧面或是不同入射角度的射流。例如，在大部分太阳能储水箱中，冷热水口在水箱侧面，冷水进入储热水箱时，，相当于水平方向入射。本文第五章讨论的典型负浮力应用就相当于此类射流。此外，根据环境流体在射流流入以前处于静止状态或者流动状态，可分为静止环境中的射流或流动环境中的射流；根据环境液体的密度分布不同，又可分为均匀环境液体和分层环境流体。本文研究的主要内容就是分层环境中的负浮力射流。

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【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O358;O357.5

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