环境流体力学第8章

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1、第8章 射流、浮羽流和浮射流 8.1 射流概述 8.2 等密度自由紊动射流 8.3 浮力羽流 8.4 浮射流 8.5 横流中的紊动射流,污水排放是否会造成水质污染取决于：（1）污水及环境水体中的污染物浓度； （2）排放方式和受纳水域的水文条件。,明渠岸边排入流水形成的近区污水场,暗渠岸边排入流水形成的近区污水场,岸边排入静水形成的近区污水场,岸边排放与离岸排放比较,大型污水海洋放流系统,污水排海工程将污水收集、输送、处理后离岸潜没多孔排入海湾。排放口工程由高位井、放流管和扩散器组成，扩散器包括上 升管和喷头。为了利于污水的稀释和扩散，喷头上沿圆周均匀设置双排多个喷口。,污水排海工程排放口示意图

2、,加强海洋环境保护，切实控制沿海废水废物的入海量，特别要控制氮、磷和其他有机物的徘放量，避免海区的富营养化，是防范赤潮发生的一项根本措施。,赤潮,污水净化排海工程,污水排入海洋中形成的污水场,铺设于海床面上的放流系统,大口径 PE 管道用于宁波化工园区深海排放工程,大连凌水河污水净化排海工程，污水排放口从凌水河口向海上伸至2000米处,该处水深1314米。该工程敷设海底管道2170米,其中输水段1969米、扩散器70米、冲淤管6米、海路衔接段125米。,射流特点：射流流股离开喷口后，除附壁射流外，脱离了固壁边界的限制，自由地在射入空间运动。,射流：是指流体在动量作用下从排放口喷出流入周围流体内

3、的一种流动。,习题5.2,浮羽流：指在浮力作用下产生的流体运动。,浮射流：指在浮力和动量同时作用下产生的流体运动。,火山爆发造成的一股蒸汽羽流从最北端的火山峰向南吹去,当射流射出后，其发展完全不受固体边壁限制的称为自由射流；在一定程度上受限制的称为非自由射流。 若射流的部分边界贴附在固体壁上，称为贴壁射流；若射流沿环境水体的自由表面射出，称为表面射流。 射流本身的流体与环境水体的物理性质相同时，称为淹没射流；否则称为非淹没射流。,稀释度定义：排放污染物的浓度与环境浓度的比：,射流和羽流的研究目的：（1）污水排放口近区污染物稀释度； （2）浓度分布轴线轨迹； （3）确定污染物混合区域范围； （4

4、）流速分布。,污染物在环境流体中的混合、弥散过程与排放流体的动量、浮力以及受纳流体的速度分布、密度分层有关。,8.1 射流概述,8.1 射流概述,8.1.1射流类型,按射流流态分：层流射流、紊动射流,按射流物理性质分：不可压缩射流、可压缩射流 等密度射流、变密度射流,按射流断面形状分：圆断面射流（轴对称射流） 平面射流（二维射流） 矩形射流（三维射流）,按受纳环境的边界分：无限空间的流体内射流（自由射流） 有限空间的流体内射流（有限空间射流）,附壁射流 表面射流,按射流流体与受纳流体的异同分：淹没射流、非淹没射流,按驱动力分：动量射流（纯射流）、浮羽流（浮力羽流） 、浮射流（浮力射流）,8.1

5、 射流概述,射流、羽流和浮射流的弗罗德数定量区分：,浮羽流,射流,浮射流,浮力主导排出流体的运动,惯性力主导排出流体的运动,惯性力和浮力都不能忽略,8.1 射流概述,8.1.2紊动射流的形成与结构,假设：无限空间、自由紊动、二维淹没射流,流体从狭长窄缝流出,静止流体,中心流始终保持射流的出口流速,卷吸系数,指向射流中心的横向速度,断面射流中心最大纵向流速,（1）几何特征,（2）运动特征,射流主体段内速度分布,半厚度与射流源距离,服从高斯分布,浓度分布,服从高斯分布,（3）动力特征,射流任一截面的动量都等于出口处的动量：,（5.4）,8.1.3紊动射流的特征 自相似性,（5.3）,（5.1）,（

6、5.32）,8.1.4 射流的研究内容和分析途径,射流的研究内容：确定射流轴线轨迹 射流扩展范围 射流中流速分布 非等温射流的温度分布 变密度射流的密度分布 射流挟带物质的浓度分布,射流与浮羽流的基本研究方法：微分方程求解法 积分方程法 量纲分析法 渐近分析法 数值计算法 实验法,8.2 等密度自由紊流射流,8.2 等密度自由紊流射流,单位时间通过射流各断面的流体的总动量为常数,动量积分解,微分方程解,8.2.1平面自由紊动淹没射流的动量积分解,紊动射流：,当由喷口射出的流体与受纳流体没有密度差，且受纳流体为均质和静止时，射流动量守恒。,狭长缝缝,（5.8）,（1）主体段流动,通过断面单位宽度

7、的动量通量,（5.5）,速度分布服从正态分布,（5.6）,特征半厚度,反比！,射流断面速度分布,（5.10）,任一断面上单位宽度体积流量,（5.11）,出口断面单位宽度流量,（5.12）,污染物平均稀释度,（5.14）,（5.16）,射流沿轴线流量增加率,沿轴线长度上卷入的单宽流量,（5.18）,（5.19）,卷吸系数,（5.20）,质量守恒：长度上增加的单宽流量应等于该长度上卷入的单宽流量,8.2 等密度自由紊流射流,平面射流扩展系数实验值：,作业：习题5.7,8.2 等密度自由紊流射流,（2）起始段流动,（5.9）,主体段速度分布：,平面射流：,（5.33）,（3）射流中含有物的浓度分布,

8、（5.6）,（5.8）,质量守恒：射流任一断面单位宽度上含有物质量通量，等于出口断面单位宽度上的质量通量,（5.34）,主体段射流浓度分布,（5.36）,（5.37）,同理，射流起始段浓度分布,（5.38）,作业：习题5.6,主体段中速度分布和浓度分布：,（5.32）,8.2 等密度自由紊流射流,（5.40）,8.2.2平面自由紊动淹没射流的微分方程解求解速度分布,不可压缩粘性流体运动微分方程（纳维-斯托克斯方程）：,（1.63）,连续性方程,（1.60）,二维紊动定常等密度淹没射流：,（2.36）,8.2 等密度自由紊流射流,8.2 等密度自由紊流射流,（5.40）,应用涡流粘性系数:,忽略

9、粘性应力，二维紊动定常等密度淹没射流：,（5.39）,（5.41）,（5.42）,静止流体射流:,（5.43）,8.2 等密度自由紊流射流,（5.55）,（5.43）,平面流则引入流函数求解得速度分布式：,（5.54）,其中：,图5.6,边界条件：,8.2 等密度自由紊流射流,【例题】有一平面淹没射流，出口流速为3m/s，污水出口流量为1m3/s，出口处浓度为1000mg/L。试求距离出口60m处断面上的最大流速、断面中点浓度和平均稀释度。,8.2 等密度自由紊流射流,8.2.3圆断面自由紊动淹没射流的动量积分解,（1）主体段流动,速度服从高斯分布：,（5.57）,射流各断面动量通量相等,（5

10、.58）,（5.59）,圆断面射流速度分布,反比！,作业：习题5.8,8.2 等密度自由紊流射流,实验求出圆断面射流扩展系数,任一断面体积流量,出口断面体积流量,流量比,（5.62）,8.2 等密度自由紊流射流,（2）起始段流动,主体段断面速度分布,（5.64）,（3）射流中含有物的浓度分布,起始段长度,起始段混合区内速度服从高斯分布,（5.67）,（5.69）,起始段混合区半厚度,势流核心区半径,服从高斯分布,主体段：,（5.70）,（5.71）,起始段：,8.2 等密度自由紊流射流,射流任一断面上含有物的质量通量=出口断面上该物质的质量通量,（5.72）,（5.74）,主体段：,（5.70

11、）,求主体段轴线上含有物浓度：,（5.57）,（5.70）,（5.75）,轴线上含有物浓度,实验求出：,8.2 等密度自由紊流射流,（5.75）,轴线稀释度,（5.76）,断面上含有物浓度分布,（5.77）,（5.70）,8.2 等密度自由紊流射流,8.2.4圆断面自由紊动淹没射流的微分方程解,8.2 等密度自由紊流射流,【例题】有一圆形淹没射流，出口流速为3m/s，污水出口流量为1m3/s，出口处浓度为1000mg/L。试求距离出口60m处断面上的最大流速、断面中点浓度和平均稀释度。,解：射流出口断面直径,8.2 等密度自由紊流射流,例题结果比较,排污口采用哪种设计为好？,8.2 等密度自由

12、紊流射流,【例题】设有一宗污水流量为 ，需采用一放流系统排入湖内，忽略污水与湖水的密度差及湖水可能的分层，若保持出口流 。计算离排口10m处的平均稀释度。 （1）采用单孔垂直出口排放； （2）采用直接在主管上开孔的扩散器，共12个孔交替地向两侧开设，要求在10m以内射流不得相互交会，求最小扩散器长度及离孔口10m处的平均稀释度； （3）开设一排小孔，射流可近似按孔口宽度为0.03m的平面射流考虑，求最小扩散器长度及离孔口10m处的平均稀释度。,解：（1）单孔排放,单孔孔径,平均稀释度（5.65）,8.2 等密度自由紊流射流,（5.63）,10m处的射流宽度,（2）多孔排放,各孔孔径,平均稀释度

13、 （5.65）,最小孔口中心距,扩散器最小总长度,平均稀释度（5. 25）,扩散器最小总长度,（3）平面射流,8.2 等密度自由紊流射流,【小结】,排污口采用哪种设计为好？,8.3 浮力羽流,8.3 浮力羽流,由连续的浮力源作用而产生的一股流体运动。,热泡浮力源瞬时作用，流动是非定常的。 浮力羽流浮力源的作用是定常的，产生的一股流体运动呈现羽毛状。简称浮羽流或卷流，气体浮羽流也称为烟流。浮羽流是变密度流。,浮力羽流也存在起始段和主体段。 浮力羽流在运动过程中对周围流体的卷吸比紊动射流还要强烈。 在浮力羽流的主体段，流速分布和浓度分布满足自相似假定；由于密度差和浓度的对应关系，故密度差分布可用与

14、浓度分布相同的自相似公式描述。,微分方程解,量纲分析解,8.3 浮力羽流,8.3.1浮羽流的基本方程解（微分方程解）,线源产生的浮羽流可视为二维浮羽流。,由一个出口形成的浮力羽流可以看作是点源浮力羽流。,8.3 浮力羽流,【积分求解结果】,8.3.2浮羽流的量纲分析解,与积分法结果比较,8.3 浮力羽流,【例题】有流量为1m3/s的污水在海岸水下70m深处通过圆管排入海中，污水在出口处的水温为17.8，假定海水混合很好（无热分层），海水水温为11.1，含盐度为3.25%。如果污水在排污口处的初始浓度为1kg/m3。试问在水下10m处的最大浓度和平均稀释度是多少？,解：查出海水在11.1及含盐度为3.25%的密度为1024.9kg/m3，污水在17.8时密度为998.6 kg/m3，故密度差为,8.3 浮力羽流,8.4 浮射流,8.4 浮射流,浮射流研究内容：求解纯粹射流和浮力羽流所有的特性； 研究浮射流中心线的轨迹。,在浮力和动量同时作用下产生的流体运动。,垂直浮射流,水平浮射流,浮射流求解方法：,假定：浮射流速度分布和浓度分布具有相似性，不可压缩流体，流场中压强符合水静压强的分布规律，布辛涅斯克近似成立，浮射流的卷吸和掺混机理与动量射流、浮羽流相同。此外，设射流轴线局部曲率很小，忽略曲率的影响。,数值求解,量纲分析,实