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1、高永辉，王新建（商丘师范学院 建筑与土木工程系，河南 商丘 476000）摘要：采用理论分析的方法，利用单股水平淹没射流纯水状态下射流中心轴线流速的试验推导公式，进行不同流程下中心轴线最大流速的计算。然后利用 FLUENT 流体计算软件，对单股水平淹没 射流进行数值模拟研究，求得射流相对应流程上中心轴线的最大流速，并与理论分析结果加以比 较，从而验证 CFD 流体计算软件对淹没射流研究的适用性和准确性。 关键词：淹没射流；消能设施；CFD；数值模拟；压力场分析；能量耗散中图分类号：TV131.4文献标识码：A文章编号：1008-486X(2011)03-0026-02引言射流按不同的流态 、喷
2、 口 形 状 、环 境 固 体 边 界 ， 以及射流原动力等 ，可分为不同的类型1：按 流 动 形 态可分为层流射流和紊流射流 （高 速 冲 击 射 流 为 紊 动 射 流 ）；按射流的物理性质 ，可 分 为 不 可 压 缩 射 流 和 可 压 缩 射 流 、等密度射流和变密度射流 。 从 环 境 的 性 质 来 划 分 ，射入同种性质的流体内 的 射 流 称 为 淹 没 射 流 ，射入不同性质的流体内的射 流 称 为 非 淹 没射流2。式计算单股水平淹没射流轴线的最大流速 。 为使计算 结 果 和 FLUENT 模拟结果有更充分的比较 ，将 在 射流入水宽 度 b00.5m 时 ，取入射水流
3、流速 u010m/ s，流 程 S1m、3m、5m 的 情 况 下 ，计 算 射 流 轴 线 流 速 um 的取值 ，计算结果见表 1。表 1 射流轴线流速随流程变化值 Table 1 Values for jet axis flow rate changing with flow 0流 程 S/m135射 流 轴 线 流 速 um/m/s9.977.465.00由表 1 可以看到 ，射流轴线 流 速 um 随 流 程 S 呈直线变化 ，并随 S 的增大而不断变小 。 这说明 ，伴随 着流程 S 的不断增大 ，射流轴线 流 速 um 能 量 的 耗 散也越来越大 。理论分析取单宽水流进行分析
4、，设 射流入水断面为均匀 1掺 气3。浓 度 为 0、断面平均流速为 u0、掺 气 射 流 厚度、纯水当量厚度 d0=E(1-0)。掺气射流的水下扩 散中心线位置最大流速计 算如下FLUENT 模拟分析22.1边界条件的设定在 FLUENT 计 算 中 ，把 边 界 条 件 定 义 为 进 口 边um =md0姨 姨 c(1-0)姨 x（1）界 和 出 口 边 界 ， 其中进口边界包括 ： 速 度 进 口 u u00水 力 直 径 DH0.5m。把流体进口边界设定为 10m/s，当射流为纯水时 ， 00，式 中 系 数 c、m 需 由 试验确定 。1982 年 ，余常绍已经对垂直纯水流的扩散
5、进 行 了 试 验 研 究 4，得出射流中心轴线上的速度变化规 律（如式（2）所示）：速度入口 。 相应的入口紊动能和耗散率的边界条件可由下列经验公式得出 ：52k=0.00375U0（3）（4）=k1.5/0.4H0式中：U0 为进口流速 ，m/s；H0 为进口水深 ，m。由于出口边界为自然溢流 ，与 大 气 相 通 ， 故 可 以 认为出口压力为大气压力值 ， 即 一 个 大 气 压（10135Pa），所有变量的法向梯度为零 。 出口水力直 径可由式 （5）求得（DH3.755m）。u0=0.35+0.165 S（2）umb0式 中 ：u0 为射流入水流速 ，m/s；um 为 射 流 轴
6、线流速，m/s；b0 为射流入水宽度 ，m；S 为流程 ，m。式（2）表明，u0/um 与流程 S 呈直线关系 。 采用该收稿日期：2011-05-18作者简介：高 永 辉 （1983-），男 ，河 南 扶 沟 人 ，助 教 ，硕 士 ，从事力学方面的教学与研究工作 。DH- 4LW 能量几乎没有产生太大的损耗 ， 流速分布非常密 集 。 在流速散点图上可以 清 晰 地 显 示 ，其 中 心 轴 线 处 的 流 速 达 到 9.4m/s。 流 程 S2m 时 ， 流 速 有 所 减弱 ，能量也有所耗散 ，流 速 值 散 点 图 示 出 ，此 时 最 大（5）2(L+W)式 中 ：DH 为 出
7、口 水 力 直 径 ，m；L 为 池 长 ，m；W为池宽 ，m。2.2入射水流流速u010m/s射 流 入 水 宽 度 b00.5m，入 射 水 流 流 速 u010m/ s，流 程 S1m、3m、5m 时 ，射 流 轴 线 流 速 um 的 取 值 。 模拟结果如图 13 和表 2 所示。为了充分对比 理 论 计 算 结 果 ，把沿射流轴线平 面流程 S1m、3m、5m 时的纵切面 ，分别记 做 平 面 1、平面 3 和平面 5，平面内的流速分布及 流速值如图流 速 为 8m/s。随着流程的不断增大 ，射 流 在 进 入 消能池后扩散越来越明显 ，能量耗散也越来越大 。 当流 程 S4m 时
8、 ， 在 平 面 4 上的中心轴线 最 大 流 速 分 别 降 低 为 5.9m/s。 当 流 程 S5m 时 ，扩 散 最 为 充 分 ， 消能效果最为明显 ， 高 速 射流的能量耗散也最大 。此时射流在平面 5 上的流速也最小 。 只有 4.1m/s，对 消能池各壁面的压力才降 到 最 低 值 ，破 坏 程 度 降 到 最小。13 所 示 。流速分布图中速度等值线中的数值或颜 色代表所在点的流速 ，流 速 散点图中深色散点代表 横面流速 ，浅色散点代表纵面流速 。分析比较由理论计算结果和 FLUENT 数值模拟结果比 较 显 示 ， u010m/s 两种计算结果基本吻合 （如 表 3 和图
9、 4 所示）。表 3 两种计算方法数据比较Table 3 Data comparison of two kinds of calculation methods3图 1 平面 1 的流通分布图和流速值散点图Fig.1 Circulation distribution and velocity values of plane 1流 程 S/m理 论 计 算 um/m/s19.9737.4655.00Fluent 计 算 um/m/s 9.40 7.30 4.10 4结论理 论 计 算 与 现 实 情 况 存 在 差 异 ， 当 采 用FLUENT 计算模 拟 时 ，消力池内水体紊动剧烈 ，流 速
10、最大值的出现位置和大小 并 不 固 定 ，且 较 难 确 定 其 准确位置和方向 ，故 与 理 想的理论分析结果有微小 的偏差 。 因此，在进行较为复杂的淹没射流流速 、压力数值计 算 时 ， 完 全 可 以 用 CFD 数值模拟的方法 ，对消能池内的流速场 、压 力场进行模拟分析 。 这 样 即可大大减少工作量 ，又 可相对真实地反映消能池 内各个点 、面的流速及压力分布 。图 2 平面 3 的流通分布图和流速值散点图Fig.2 Circulation distribution and velocity values of plane 3参考文献：1 台 尔 曼. 消力池中消力墩的 作 用
11、J. 水 力 发 电 ，1957（12）:17-20.2 陈 永 灿,许 协 庆. 射流对下游河床冲 击作用的数值模拟 J.水动力学研究与进展 ，1992（3）：52-55.3 刘 沛 清. 挑射水流对岩石河床的冲刷机理研究D. 北 京 ：清华大学博士学位论文 ，1994:37-38.4 韩 占 中 ，王 敬 ，兰 小 平 . FLUENT-流体工程仿真计算实例 与 应 用M. 北 京 ：北京理工大学出版社 ，2004:102-131.图 3 平面 5 的流通分布图和流速值散点图Fig.3 Circulation distribution and velocity values of plan
12、e 5表 2 射流轴线流速在沿轴线纵平面上的最大值Table 2 Maximum value of jet axis flow rate along the axis on vertical plane沿射流轴线纵剖面 135射 流 轴 线 流 速 um/m/s9.407.304.105吴 子 牛 . 计 算 流 体 力 学 基 本 原 理 M. 北 京 ： 科 学 出 版 社 ，2001:127-129.责任编辑 杨明庆 (下转第 34 页)以上研究结果显示 ，当入射 水 流 流 速 u010m/s、流 程 S1m 时 ，射流在进入消能池后扩散不充分 ，流 速 难 以 降 低 ，中心轴线流速
13、依然非常大 ，高 速 射 流参考文献：6 Egloffstein,T.A. Natural bentonites -influence of the ionexchange and partial desiccation on permeability and self -healing capacity of bentonites used in GCLs J. Geotextiles and Geomembranes. 2001（19）:427-444.7 J.S.McCartney, J.G.Zornberg. Reliability -based stability analysis
14、considering GCL shear strength variability J. Geosynthetics International. 2004(3):212-232.责任编辑 杨明庆1 陈 小 红 ，王 协 群. GCL 的气体渗透性研究J. 人 民 长 江,2009(3):84-86.2 张 益 ，陶 华 . 垃 圾 处 理处置技术及工程实例 M. 北 京 :化 学 工 业 出 版 社,2002:39-52.3 缪 林 昌 ，刘 松 玉 等 . 环境岩土工程学概论 M. 北 京 :中 国 建 材 出 版 社,2005:112-114.4 南京水利科学研 究 院 . 土工合成材
15、料测试手册M. 北 京:水利水电出版社,1991:79.5 李 明 飞 ，金 泉 繁 良 ，周 蓝 玉 . 多层土工合成材料受力特性 有 限 元 研 究 J. 沈阳建筑工程 学 院 报 (自 然 科 学 版 ),2003(上接第 27 页)Theoretical Calculation and Numerical Simulation of Single Horizontal Submerged JetGAO Yong-hui, WANG Xin-jian(Shangqiu Normal College, Shangqiu 476000, Henan, China)Abstract: By t
16、heoretical analysis method, this paper uses jet flow central axis flow velocity test deduceformula of single horizontal submerged jet under pure water state to calculate the central axis maxim flow velocity of different flows. By using FLUENT fluid calculation software, researching single horizontal
17、 submerged jet numerical simulation to get the central axis maxim flow velocity of related flow and to compare with the theoretical result, this paper verifies the feasibility and veracity of CFD flow calculation software to submerged jet research.Key words: Submerged jet; energy dissipation facilit
18、y; CFD; numerical simulation; pressure field analysis;energy dissipation333333333333333333333333333333333333333333333黄河水院 11 项自然科学研究项目经河南省教育厅批准立项2011 年 4 月 1 日，黄河水院 11 项自然科学研究项目经河南省教育厅批准立项，这些项目及 主持人是：（1）王卫东主持的基于云计算技术的高校学生信息管理系统设计，资助经费 1 万元；（2）杨中华主持的高职院校“岗课证一体化”教学支撑系统研究与实践，资助经费 1 万元；（3）曹 建春主持的自主学习型网络教学平台的设计与开发；（4）管欣主持的城市园林绿地规划的经济 评价指标体系研究；（5）吕桂军主持的黄河流域泥沙资源化利用与节水农业技术研究；（6）马海 洲主持的基于生物免疫系统的计算机入侵检测系统的设计与实现；（7）庞子瑞主持的高速陶瓷 CBN 砂轮及其磨削性能的实验研究；（8）汪明霞主持的控制性隔沟交替灌溉试验研究；（9）王留 奎主持的基于一卡通门禁和远程监控的无人值守实验室管理系统；（10）王琴主持的基于遥感 的土地利用信息自动提取技术研究；（11）张延主持的在线圆度检测仪关键技术研究。（道富）3333333333333333333333333333333333333333
