横流中圆孔湍射流的旋涡结构 - 水科学进展.pdf

第 14 卷 第 5 期 水 科 学 进 展 Vol14 ,No5 2003 年 9 月 　　 ADVANCES IN WATER SCIENCE 　 Sep , 2003 　 横流中圆孔湍射流的旋涡结构 1 2 1 李 　炜 , 姜国强 , 张晓元 ( 1 武汉大学水利水电学院 , 湖北 武汉 　430072 ; 2 天津大学机械工程学院 , 天津 　300072) 摘要 : 应用 PIV 流场测试系统 , 研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构 。发现主要有 4 类旋涡 , 即射流主 体周缘剪切层的类开尔文涡列 、横流绕流分离旋涡 、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡 。分析了这些旋涡的形成机 理及其拓扑性质 , 射流近区有两条分离线 , 一条是横流绕流分离线 , 另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡 区的分离线 。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体 , 混合形成射流主体内的主反向旋转涡对 。 关 　键 　词 : 射流 ; 横流 ; 旋涡结构 ; 湍流 ( ) 中图分类号 : O3513 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 2003 0557607 横流与圆孔湍射流相互作用形成复杂的旋涡结构 , 它直接影响到射流主体的发展 , 因而揭示其旋涡形成机 理及规律 , 对控制射流向所需要的方向发展是非常重要的。例如污水排放近区稀释度的控制 , 提高飞行器垂直 升降气动性能和燃油发动机冷却气幕保护壁面措施等 。国内外对其研究成果报导很少 。黄真理等[ 1] 、Smith 和 Munga [2 ] 利用激光诱导荧光技术 , 试验研究了水槽底部排放的单孔和多孔射流 , 观测到低流速比时射流出现分 叉现象和尾涡 , 并给出了马蹄涡结构沿水深的变化过程 。Fric 和 Roshko[3 ] 试验研究了横流中圆孔射流的剪切涡 层 、尾涡及肾形涡结构 。Kelso 和Lim[4 ] 研究了不同雷诺数和流速比, 横流边界层中涡的卷起机理 。 本文主要采用试验方法 , 发现横流中圆孔湍射流的旋涡结构 , 由横流与射流的剪切层中的类开尔文涡列 、 迎流面底部的马蹄涡系 、横流绕流分离旋涡及尾迹组成 , 分析了其形成的机理和规律 , 探讨了其拓扑性质 。 1 　实验装置及测试技术 试验是在一宽 100 cm 、深 50 cm 和长 1 300 cm 的玻璃水槽内进行 , 其首部为一直角三角形量水堰 , 测量通 过水槽的横流流量 ; 其退水段设有尾门控制水深 。沿中线在距水槽进 口700 cm 的底板以下设一均直的圆管与