层结环境中浮力羽流的质量输移过程
发布时间：2021-08-12 01:02
在线性层结盐水中进行18组浮力羽流实验,采用粒子图像测速（PIV）技术获取羽流的时空高分辨率流场,提出浮力羽流最大输移质量计算公式,并定量分析羽流卷吸及质量输移过程.实验结果表明:卷吸系数从喷口处开始沿着射流方向逐渐增加,并在最大穿透距离0.3～0.5倍时,于数值0.11左右波动,之后逐渐减小为负值.浮力羽流在羽干处卷吸入周围环境流体后,沿射流方向被输移到最大穿透距离处,并在其约0.65倍处垂向质量通量达到最大值;混合后的羽流最终在中性浮力层向四周扩散;最大输移质量由浮力通量、浮力频率和与喷口处于相同高度的周围环境密度共同决定.层结环境折射率变化引起的伪湍动进而导致最大输移质量计算误差约为3%,因此折射率变化的影响可以忽略.
【文章来源】：上海交通大学学报. 2019,53(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验装置示意图Fig．1Experimentalsetup
第4期赵亮，等:层结环境中浮力羽流的质量输移过程475图1实验装置示意图Fig．1Experimentalsetup图2PIV采集的原始图像(工况10)Fig．2TheinitialimagecollectedbyPIV(Case10)50%．获得流场数据后，再通过MATLAB进一步分析数据．1．2工况设计浮力频率(N)定量表征环境的密度层结性，初始浮力通量(B)为喷口入射条件的度量，两者是浮力羽流的基本参数．计算表达式分别为N=－gρb?ρ1槡?z(1)B=gρ0－ρaρaQ(2)式中:g表示重力加速度;ρ0表示喷口出流盐水密度;ρa表示与喷口处于相同高度的周围环境盐水密度;ρb表示水槽底部的环境盐水密度;Q表示喷口出流盐水的体积通量(喷口流量);?ρ1/?z表示层结环境的密度梯度．表1所示为根据N、Q、ρ0和喷口直径表1实验工况相关参数Tab．1Experimentalparameters工况N/s－1ρ0/(kg·m3)Q/(cm3·s－1)B/(cm4·s－3)d/cm10．9010193．1256．00．520．6410263．0981．60．530．8810263．2381．70．540．9010263．2680．40．550．8210263．4380．10．560．6610063．2420．40．770．6510113．0835．40．780．6310113．3037．60．790．8710113．3017．10．7100．5710192．5546．00．7110．8810193．0955．50．7120．6610193．2520．20．7130．6310193．3963．00．7140．5510193．9067．50．7150．6510261．1527．60．7160．6610263．0680．50．7170．9110263．2582．60．7180．6410263．4290．00．7d等参数，设计的18组不同的实验工况．在实验水槽的壁面等较深位置处布?
?羽流的卷吸系数αe．由式(6)和(7)可得:αe=56－dbd()z(8)1．3．2垂向质量通量浮力羽流在对于海底成矿、海洋勘探等具有重要影响．其输移质量可通过垂向质量通量M来表示为［17］M(z)=∫∞02πρWrdr(9)式中:r表示圆柱坐标系中的羽流水平半径，且最大值rmax=b;ρ表示羽流密度．2实验结果与分析2．1卷吸过程为了便于显示，将羽干平均分成11层，采用式(5)对每层羽流垂向时均速度分量进行曲线拟合(图3)，从而得到b，再通过有限差分法计算－db/dz，由式(8)计算得到αe．羽干各层垂向速度分量的拟合结果如表2所示，羽干的垂向时均速度分量符合高斯分布，表明本文实验满足MTT模型卷吸理论中关于羽干垂向速度分布的假设．采用文献［12］中的方法确定本实验中羽流的最大穿透距离Zmax，并将其作为无量纲化参数，对羽流图3垂向时均速度分量的高斯曲线拟合(工况10)Fig．3Gaussianfittingofmeanverticalvelocity(Case10)表2羽干各层垂向时均速度分量的高斯曲线拟合(工况10)Tab．2ＲesultsofGaussianfittingformeanverticalveloci-tycomponentateachlevel(Case10)z/cmWm/(cm·s－1)xm/mmb/mm拟合残差－0．85－1．460．504．356．20×10－7－1．70－3．690．924．752．69×10－6－2．55－5．841．015．563．27×10－6－3．40－5．781．116．652．17×10－6－4．25－5．381．207．956．83×10－6－5．10－4．771．269．042．17×10－5－5．95－3．961．369．905．38×10－5－6．80－3．931．4210．24．98×1
本文编号：3337257
【文章来源】：上海交通大学学报. 2019,53(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验装置示意图Fig．1Experimentalsetup
第4期赵亮，等:层结环境中浮力羽流的质量输移过程475图1实验装置示意图Fig．1Experimentalsetup图2PIV采集的原始图像(工况10)Fig．2TheinitialimagecollectedbyPIV(Case10)50%．获得流场数据后，再通过MATLAB进一步分析数据．1．2工况设计浮力频率(N)定量表征环境的密度层结性，初始浮力通量(B)为喷口入射条件的度量，两者是浮力羽流的基本参数．计算表达式分别为N=－gρb?ρ1槡?z(1)B=gρ0－ρaρaQ(2)式中:g表示重力加速度;ρ0表示喷口出流盐水密度;ρa表示与喷口处于相同高度的周围环境盐水密度;ρb表示水槽底部的环境盐水密度;Q表示喷口出流盐水的体积通量(喷口流量);?ρ1/?z表示层结环境的密度梯度．表1所示为根据N、Q、ρ0和喷口直径表1实验工况相关参数Tab．1Experimentalparameters工况N/s－1ρ0/(kg·m3)Q/(cm3·s－1)B/(cm4·s－3)d/cm10．9010193．1256．00．520．6410263．0981．60．530．8810263．2381．70．540．9010263．2680．40．550．8210263．4380．10．560．6610063．2420．40．770．6510113．0835．40．780．6310113．3037．60．790．8710113．3017．10．7100．5710192．5546．00．7110．8810193．0955．50．7120．6610193．2520．20．7130．6310193．3963．00．7140．5510193．9067．50．7150．6510261．1527．60．7160．6610263．0680．50．7170．9110263．2582．60．7180．6410263．4290．00．7d等参数，设计的18组不同的实验工况．在实验水槽的壁面等较深位置处布?
?羽流的卷吸系数αe．由式(6)和(7)可得:αe=56－dbd()z(8)1．3．2垂向质量通量浮力羽流在对于海底成矿、海洋勘探等具有重要影响．其输移质量可通过垂向质量通量M来表示为［17］M(z)=∫∞02πρWrdr(9)式中:r表示圆柱坐标系中的羽流水平半径，且最大值rmax=b;ρ表示羽流密度．2实验结果与分析2．1卷吸过程为了便于显示，将羽干平均分成11层，采用式(5)对每层羽流垂向时均速度分量进行曲线拟合(图3)，从而得到b，再通过有限差分法计算－db/dz，由式(8)计算得到αe．羽干各层垂向速度分量的拟合结果如表2所示，羽干的垂向时均速度分量符合高斯分布，表明本文实验满足MTT模型卷吸理论中关于羽干垂向速度分布的假设．采用文献［12］中的方法确定本实验中羽流的最大穿透距离Zmax，并将其作为无量纲化参数，对羽流图3垂向时均速度分量的高斯曲线拟合(工况10)Fig．3Gaussianfittingofmeanverticalvelocity(Case10)表2羽干各层垂向时均速度分量的高斯曲线拟合(工况10)Tab．2ＲesultsofGaussianfittingformeanverticalveloci-tycomponentateachlevel(Case10)z/cmWm/(cm·s－1)xm/mmb/mm拟合残差－0．85－1．460．504．356．20×10－7－1．70－3．690．924．752．69×10－6－2．55－5．841．015．563．27×10－6－3．40－5．781．116．652．17×10－6－4．25－5．381．207．956．83×10－6－5．10－4．771．269．042．17×10－5－5．95－3．961．369．905．38×10－5－6．80－3．931．4210．24．98×1
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