明渠底部水气二相圆孔射流数值模拟研究
溶解氧浓度是反映水体环境质量的一项重要指标。掺气是提高水体溶解氧浓度改善水质的有效方式。本文以明渠底部水气二相圆孔射流为研究对象，在相关实验资料验证和对比的基础上，基于数值模拟方法，研究了流动水体中铅垂圆孔水气射流的行为特征。 首先，本文建立了水气紊动射流的三维数学模型，采用实验资料对计算气体体积分数、气泡速度、气泡直径分布进行了验证。然后从无量纲角度，对计算气体体积分数、气泡速度、气泡直径的分布规律进行了分析。最后分析了计算混合相紊动特征的分布规律。 分析表明，气体体积分数基本服从高斯分布，这与静水环境中的分布是相似的。不同观测断面上，随着距离喷嘴越远，气体体积分数的峰值逐渐降低，其分布范围逐渐变宽，曲线越平坦。与y方向分布不同，气泡速度在η方向的分布并不对称，且上游值一般小于下游值。不同观测断面上，随着距离喷嘴越远，气泡速度分布的中心线逐渐往下游移动，峰值逐渐减小，而且分布范围逐渐变宽。与y方向分布不同，气泡直径在η方向的分布也不对称，而且上游值一般大于下游值。不同观测断面上，随着距离喷嘴越远，气泡直径分布的中心线逐渐往上游移动，峰值逐渐变小，而且分布范围逐渐变宽。混合相紊动特征的分布规律与气泡速度分布相似，在η方向上不是对称的，且上游值一般小于下游值。不同观测断面上，随着距离喷嘴越远，紊动特征分布中心线逐渐往下游移动，峰值逐渐减小，而且分布范围逐渐变宽。 最后，利用验证后的数学模型计算分析了典型断面中心线上不同环境流速、射流气速和射流水速等参数对水气射流中气体体积分数和气泡垂向速度的影响规律。计算结果表明，当喷嘴处初始气体体积分数保持不变时，随着射流气速的增大，η方向上气体体积分数峰值变大，分布曲线变陡，但是曲线分布范围却基本相同；气泡垂向速度变大。气体体积分数峰值增大，说明η方向中心线上气泡的扩散量越少；分布曲线越陡，说明与水体混合越不均匀，越不利于水气之间传质的进行。气泡垂向速度越大，其在水体中滞留的时间就会越短，越不利于水气间的传质。随着射流水速的增大，η方向上气体体积分数峰值变小，说明η方向中心线上气泡的扩散量越多，越有利于水气传质。此外，气泡垂向速度的变化规律不明显，这是由水射流初动量与水射流紊流共同决定的。随着环境流速的增大，η方向上气体体积分数峰值变小，曲线分布变平坦，范围分布变宽，越有利于水气传质。气泡垂向速度变小，其在水体中滞留的时间就会越长，越有利于水气间的传质。
明渠工程;数值模拟;紊动射流;分布规律;行为特征
中国海洋大学
硕士
水利工程
尹则高
2013
中文
TV133
69
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）