环境流体力学第8章

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13~14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：aCCCS0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gLuFaad射流、羽流和浮射流的弗罗德数定量区分：浮羽流1dF射流dF浮射流dF1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meumeu（1）几何特征xb（2）运动特征射流主体段内速度分布)(1xyfuum半厚度与射流源距离服从高斯分布2)(ebymeuu浓度分布)(2xyfccm2)(tbymecc服从高斯分布（3）动力特征02002AudAuMA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）etbb（5.32）8.1.4射流的研究内容和分析途径射流的研究内容：①确定射流轴线轨迹②射流扩展范围③射流中流速分布④非等温射流的温度分布⑤变密度射流的密度分布⑥射流挟带物质的浓度分布射流与浮羽流的基本研究方法：①微分方程求解法②积分方程法③量纲分析法④渐近分析法⑤数值计算法⑥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：302Re00ub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）20022ubdyuM)exp(22embyuuxbe（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210210)2(]12[xbuum反比！射流断面速度分布)exp()2(]12[22210210ebyxbuu（5.10）meemubdybyuudyQ022)exp(2任一断面上单位宽度体积流量（5.11）000ubQ出口断面单位宽度流量（5.12）21021000)2()2(2bxububQQme污染物平均稀释度（5.14）（5.16）muuxbdxdQ2)2()22(021021射流沿轴线流量增加率沿轴线长度上卷入的单宽流量eedxdQ2（5.18）mmeuu4（5.19）4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：154.0作业：习题5.78.2等密度自由紊流射流（2）起始段流动210210)2(]12[xbuum（5.9）0uum令主体段速度分布：平面射流：（5.33）（3）射流中含有物的浓度分布)exp(22embyuu（5.6）xbe（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)exp(222embycc0002buccudy（5.34）主体段射流浓度分布21021220)2(]211[xbccm（5.36）154.041.12100)2(97.1xbccm（5.37）同理，射流起始段浓度分布))()(exp(220mcbbycc（5.38）作业：习题5.6主体段中速度分布和浓度分布：etbb（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)(1222222zuyuxuxpfzuyuxuutuDtDuaxx)(1222222zyxypfzyxutDtDayy)(1222222zuyxzpfzyxutDtDazz0zyxu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）0yxu二维紊动定常等密度淹没射流：（2.36）)(1''uyuyxpyuxuu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:)(1''uyxpyuxuu0yxu忽略粘性应力，二维紊动定常等密度淹没射流：（5.39）yuutt'')(cmtuukb（5.41）（5.42）0cu静止流体射流:0xp22yukbuyuxuum（5.43）8.2等密度自由紊流射流（5.55）22yukbuyuxuum（5.43）)1(232thxKu])1(2[232ththxK平面流则引入流函数求解得速度分布式：（5.54）xy2002ubK67.7其中：图5.60,0,0yuy0,uy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：)exp(22embruu（5.57）射流各断面动量通量相等2020220222urburdruMem（5.58）xbexDuum210（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114.0任一断面体积流量202emburdruQ出口断面体积流量2002004DuurQ流量比DxuuDxDubuQQmem224402222020（5.62）8.2等密度自由紊流射流（2）起始段流动xDuum2.60主体段断面速度分布（5.64）（3）射流中含有物的浓度分布0uum令起始段长度DL2.60起始段混合区内速度服从高斯分布])(exp[20mcbbruu（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：])(exp[2embrcc（5.70）（5.71）起始段：])(exp[20mcbbrcc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42200Dcurdrcu（5.72）xDccm220221（5.74）主体段：])(exp[2embrcc（5.70）求主体段轴线上含有物浓度：c)exp(22embruu（5.57）])(exp[2embrcc（5.70）xbexDccm59.50（5.75）轴线上含有物浓度实验求出：114.012.18.2等密度自由紊流射流xDccm59.50（5.75）DxDxccSmm18.059.510轴线稀释度（5.76）])(exp[59.5])(exp[22eembrxDbrcc断面上含有物浓度分布（5.77）])(exp[2embrcc（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。muQD65.0314400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。smQ/25.030sm/5.1解：（1）单孔排放)(46.05.125.04400muQD单孔孔径平均稀释度（5.65）96.646.01032.032.0.0DxQQ8.2等密度自由紊流射流（5.63）10m处的射流宽度（2）多孔排放)(13.0125.125.0412400muQd各孔孔径平均稀释度（5.65）62.2413.01032.032.0.0DxQQ)(14.110114.0114.0mxbe最小孔口中心距)(41.213.014.1222mdbbWe扩散器最小总长度)(25.1341.25.55.5mWL平均稀