有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

张星星; 陈明; 许光祥; 黄海津

doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

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有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津

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张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津. 有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究[J]. 水科学进展, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

引用本文:

张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津. 有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究[J]. 水科学进展, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

ZHANG Xingxing, CHEN Ming, XU Guangxiang, HUANG Haijin. An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

Citation:

ZHANG Xingxing, CHEN Ming, XU Guangxiang, HUANG Haijin. An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

张星星¹,
陈明^1,2,,
许光祥^1,2,
黄海津¹

1.
重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室, 重庆 400074;
2.
重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51509027）

详细信息

作者简介:
张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

通讯作者:
陈明,E-mail:chenmingjy@126.com

中图分类号: O358

An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space

1.
Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
2.
National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

摘要: 为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响，采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量，统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明：沿射流方向具有3个明显不同的衰减区，依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内，3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关；在垂直挡板影响下，速度半宽值扩展率明显加快，发展更为充分；在水深H~1.75H范围内，射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043，同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感，其扩展率由0.205增至0.270；最大速度衰减对水深的改变并不敏感，且在Ⅱ区加速衰减，衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较，Ⅱ区与之相似，将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。
- 三维壁面射流 /
- 有限空间 /
- 流动特性 /
- 粒子图像测速
Abstract: To examine the effect of a vertical plate positioned in front of a rectangular orifice on the time-averaged flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet,we measured three important quantities: U velocity profiles,velocity half-width,and maximum velocity decay rate with various Reynolds numbers and submerged depths by using particle image velocimetry (PIV). The jet flow field was found to be divided into three major decay regions in terms of the maximum velocity decay exponents:a natural three-dimensional turbulent wall jet region (region I),a vertical plate affecting region (region II),and a near-wall region (region III). In region II,the focus of the present study,the variations in the three measured quantities with downstream distance were found to be independent of the Reynolds number. Compared with the natural wall jet,the confined jet developed substantially faster,and the spread rates in both the longitudinal and lateral directions were significantly higher,owing to the presence of the vertical plate. The spread rate in the symmetry plane was 0.043 within the range of H—1.75H. The lateral spread rate was slightly sensitive to a water depth interval of 0.5H,and the growth rate correspondingly increased from 0.205 to 0.270. Furthermore,the maximum velocity decayed dramatically in this region,with an exponent value of 1.095,and was independent of water depth. The flow characteristics of region II,compared with the natural case,were similar to those in the radial decay region. Therefore,the flow field in region II appears to have fully developed and entered into the radial decay region in advance.
- three-dimensional wall jet /
- limited space /
- flow characteristics /
- particle image velocimetry

[1]	陈启刚, 钟强. 明渠紊流中涡结构的运动规律 . 水科学进展, 2017, 28(4): 579-587. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.012
[2]	陈槐, 朱立俊, 范红霞, 王建中, 王志寰. 二维粒子图像测速实验中三维涡旋可测性分析 . 水科学进展, 2017, 28(5): 738-744. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.011
[3]	李文杰, 刘华, 杨胜发, 王涛, 张鹏. 横向振动格栅紊流紊动特性试验 . 水科学进展, 2016, 27(1): 49-56. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.01.006
[4]	陈永平, 田万青, 方家裕, 江东勃. 波浪环境下多孔射流水动力特性试验 . 水科学进展, 2016, 27(4): 569-578. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.011
[5]	张金凤, 常璐, 马平亚. 高雷诺数顶盖驱动方腔流实验 . 水科学进展, 2015, 26(2): 250-256. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.013
[6]	陈启刚, 钟强, 李丹勋, 王兴奎. 明渠弯道水流平均运动规律试验研究 . 水科学进展, 2012, 23(3): 369-375. doi: CNKI: 32.1309.P.20120501.1618.013
[7]	肖洋, 雷鸣, 李开杰, 刘贵平, 闫静. 横流中多孔射流流动特性实验研究 . 水科学进展, 2012, 23(3): 390-395. doi: CNKI: 32.1309.P.20120501.1617.009
[8]	张健, 杨立, 张士成, 吕事桂. 流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟 . 水科学进展, 2011, 22(5): 668-673.
[9]	张金凤, 张庆河, 卢昭. 颗粒沉降的格子Boltzmann模拟与PIV实验验证 . 水科学进展, 2009, 20(4): 480-484.
[10]	茅泽育, 罗昇, 赵升伟, 相鹏, 岳光溪. 冰盖下水流垂线流速分布规律研究 . 水科学进展, 2006, 17(2): 209-215.
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有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

1. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室, 重庆 400074;

2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51509027）

作者简介:
张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

通讯作者: 陈明,E-mail:chenmingjy@126.com

收稿日期: 2018-05-15
刊出日期: 2019-02-25

中图分类号: O358

关键词:

摘要: 为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响，采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量，统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明：沿射流方向具有3个明显不同的衰减区，依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内，3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关；在垂直挡板影响下，速度半宽值扩展率明显加快，发展更为充分；在水深H~1.75H范围内，射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043，同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感，其扩展率由0.205增至0.270；最大速度衰减对水深的改变并不敏感，且在Ⅱ区加速衰减，衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较，Ⅱ区与之相似，将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。

English Abstract

An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space

1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;

2. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

Received Date: 2018-05-15
Publish Date: 2019-02-25

Keywords:

Abstract: To examine the effect of a vertical plate positioned in front of a rectangular orifice on the time-averaged flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet,we measured three important quantities: U velocity profiles,velocity half-width,and maximum velocity decay rate with various Reynolds numbers and submerged depths by using particle image velocimetry (PIV). The jet flow field was found to be divided into three major decay regions in terms of the maximum velocity decay exponents:a natural three-dimensional turbulent wall jet region (region I),a vertical plate affecting region (region II),and a near-wall region (region III). In region II,the focus of the present study,the variations in the three measured quantities with downstream distance were found to be independent of the Reynolds number. Compared with the natural wall jet,the confined jet developed substantially faster,and the spread rates in both the longitudinal and lateral directions were significantly higher,owing to the presence of the vertical plate. The spread rate in the symmetry plane was 0.043 within the range of H—1.75H. The lateral spread rate was slightly sensitive to a water depth interval of 0.5H,and the growth rate correspondingly increased from 0.205 to 0.270. Furthermore,the maximum velocity decayed dramatically in this region,with an exponent value of 1.095,and was independent of water depth. The flow characteristics of region II,compared with the natural case,were similar to those in the radial decay region. Therefore,the flow field in region II appears to have fully developed and entered into the radial decay region in advance.

张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津. 有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究[J]. 水科学进展, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

引用本文:

张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津. 有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究[J]. 水科学进展, 2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

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有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

作者简介: 张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

通讯作者: 陈明,E-mail:chenmingjy@126.com

An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space

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出版历程

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010

1. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室, 重庆 400074; 2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074

作者简介: 张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

通讯作者: 陈明,E-mail:chenmingjy@126.com

English Abstract

An experimental study on the flow characteristics of a three-dimensional turbulent wall jet in a limited space

1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

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作者简介:
张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

通讯作者:
陈明,E-mail:chenmingjy@126.com

1. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室, 重庆 400074;

2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心, 重庆 400074

作者简介:
张星星(1990-),男,四川达州人,博士研究生,主要从事射流力学及船闸水力学方面研究。E-mail:zhangddy@126.com

1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;

2. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China