环境流体力学第8章资料课件

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。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。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 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大口径PE管道用管道用于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，污水排放口从凌水河口向海上放口从凌水河口向海上伸至伸至2000米处米处,该处水该处水深深1314米。该工程敷米。该工程敷设海底管道设海底管道2170米米,其其中输水段中输水段1969米、扩米、扩散器散器70米、冲淤管米、冲淤管6米、米、海路衔接段海路衔接段125米。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）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 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主导排出流体的运动惯性力和浮力都不能忽略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 流体从流体从狭长窄缝流出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指向射流中心的横向速度断面射流中心最大纵向流速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）（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 渐近分析法渐近分析法数值计算法数值计算法 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5.78.2 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 （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 （5.58）（5.59）圆断面射流速度分布反比！作业：习题5.88.2 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服从高斯分布 （5.67）（5.69）起始段混合区半厚度起始段混合区半厚度势流核心区半径势流核心区半径服从高斯分布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）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（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。数值求解量纲分析量纲分析实验辅助实验辅助8.4 浮射流8.4.1自由紊动浮射流的数值解（1）圆断面自由紊动浮射流浮射流基本方程组：8.4 浮射流求解圆断面浮射流轴线轨迹及特征半宽度8.4 浮射流求解圆断面浮射流轴线稀释度动量守恒求浮射流半厚度 （5.190）8.4 浮射流【例题】有一圆形排污口，位于水下43m深，。出口倾角分别为估计水面的最小稀释度及其特征半厚度。解：图5.17水面上的最小稀释度图5.16水面上的特征半宽度与出口宽度之比 （5.190）特征半厚度8.4 浮射流水面上的最小稀释度8.4 浮射流水面上的最小稀释度8.4 浮射流水面上特征半宽度与出口宽度之比 8.4 浮射流水面上特征半宽度与出口宽度之比 水面的特征半厚度为什么两种不同出流角度的结果相同？8.4 浮射流 【例题】某污水处理站的生活污水流量为0.088m3/s，从水深为12.2m处流入港口，相对密度差试评价下列两种出口设计方案（假设两种方案的孔口总面积基本相同）。方案2：采用14个相同直径（D=0.10m）的垂直喷嘴出流（即多孔扩散器），各孔口排出的污水在扩散时互不干扰。方案1：采用直径D=0.37m的单孔垂直出口；方案1 解：评价指标水面上的最小稀释度8.4 浮射流8.4 浮射流方案28.4 浮射流【结论】多孔扩散比单孔扩散更有效！本题若 ，再进行方案评价如何？（2）二维自由紊动浮射流）二维自由紊动浮射流自学自学5.4.2自由紊动浮射流的量纲分析解（略）自由紊动浮射流的量纲分析解（略）5.5 横流中的紊动射流8.5 横流中的紊动射流横射流：出流流体流动方向和环境流体流动方向成一定角度的射流。正交横射流斜交横射流8.5 横流中的紊动射流 发生弯曲后的射流根据轴线弯曲状况和流动特性可划分为近区、弯曲区和远区3段。近区：射流弯曲度不大，横流对射流的影响较小，流动方向基本上沿初射方向。近区长度通常小于静止流体中射流的起始段长度。弯曲区：射流背流面两侧形成一对反向漩涡，使得射流断面随距离的增加由圆形变为扁卵石形并逐渐发展成肾形。弯曲段存在很大的横向压力替代，掺混作用强烈，轴向流速衰减很快。远区：绕流作用消失，主流很少受到扰动，压强可看作静压分布。8.5.1垂直向上射入横流中的等密度圆断面紊动射流8.5 横流中的紊动射流（2）射流边界和轴线量纲分析得射流轨迹：（3）射流轴线流速8.5.2垂直向上射入横流中的浮射流8.5 横流中的紊动射流 垂直向上射入横流中的射流，若密度小于环境流体密度，射流除受到初始动量的作用外，还受到浮力作用。量纲分析可以近似估算垂直向上射入横流中浮射流的轨迹和稀释度。动量为主导的射流特征尺度 浮力为主导的射流特征尺度 8.5 横流中的紊动射流【例题】某河流的平均流速为0.76m/s，污水流量为0.065m3/s，在岸边水平排放，出口管口0.2m，出口方向与河流正交，排污口位于水面下3.87m，污水密度为992.2kg/m3，河水密度为999.1 kg/m3。试求远区水平面平均最小稀释度和它出现的断面位置。解：初始浮力通量出口流速特征尺度 浮射流以动量为主 8.5 横流中的紊动射流即水面处为浮力射流远区 【思考题】1、排放污染物的浓度与环境浓度的比值称为（）。A 稀释度 B 射流扩展系数 C 卷吸系数 D 射流半厚度2、按射流流体与受纳流体的异同可分为（）。A 圆断面射流和平面射流 B 无限空间射流和有限空间射流 C 淹没射流和非淹没射流 D 层流射流和紊动射流3、（）不是紊动射流的特征主要表现。A 速度分布不符合高斯正态分布函数 B混合边界层线性开展 C 各断面纵向速度分布相似 D等密度自由射流各断面动量通量相等4、（）反映了紊动射流的几何特征。A B C D5、平面自由紊动淹没射流是指（）。A 总窄长缝隙中喷出进入无限空间、同种静止流体的射流 B圆断面喷出进入无限空间、同种静止流体的射流 C总窄长缝隙中喷出进入无限空间、分层流体的射流 D圆断面喷出进入有限空间、同种静止流体的射流6、关于浮羽流正确的说法是（）。A 出流流体靠动量维持其运动 B 在向上运动和扩散运动过程中，密度沿程不变 C 同一断面上密度分布均匀 D 浮羽流是变密度流7、水下扩散管排放污水，且出口初始动量很小，污水密度小于周围环境流体密度，则可按（）处理。A一维紊动射流 B二维紊动射流 C一维浮羽流 D二维浮羽流8、弗罗德数表征（）之比值。A 惯性力与粘性力 B惯性力与表面张力 C惯性力与浮力 D粘性力与浮力9、估算垂直向上射入横流中浮射流的轨迹和稀释度常用（）方法。A 经验法 B数值法 C 积分法 D 量纲分析