增強(qiáng)自由紊動(dòng)射流卷吸、摻混性能的研究

梁蘭健，袁 鵬,2,李仁軍

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

增強(qiáng)自由紊動(dòng)射流卷吸、摻混性能的研究

梁蘭健1，袁 鵬1,2,李仁軍1

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

射流作為流體運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，在工程中具有非常廣泛的應(yīng)用。其中，卷吸和摻混效應(yīng)是射流的兩大重要特征，其影響貫穿射流發(fā)展的整個(gè)過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)研究人員從理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬等幾個(gè)方面對(duì)射流的卷吸、摻混性能進(jìn)行了大量的研究工作,并探索出多種提高射流卷吸、摻混性能的方法。文中從噴嘴形狀，噴嘴數(shù)目，噴嘴間距，噴嘴矩形截面寬高比和射流流速比等幾個(gè)方面，對(duì)增強(qiáng)射流卷吸、摻混性能的研究方法、研究現(xiàn)狀和研究結(jié)果進(jìn)行了整理、分析，討論了該領(lǐng)域存在的問(wèn)題，并對(duì)該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望。

射流；流體運(yùn)動(dòng)；卷吸；摻混

由各種形式的噴嘴噴出，進(jìn)入到同種或另一種流體域內(nèi)的一股或多股運(yùn)動(dòng)流體，稱為射流[1]。由噴嘴射入的流體與其周?chē)黧w之間存在著切向間斷面，此切向間斷面是不穩(wěn)定的，一旦受到擾動(dòng)將失去穩(wěn)定而產(chǎn)生漩渦，卷吸周?chē)黧w進(jìn)入射流流體，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂產(chǎn)生紊動(dòng)，其影響逐漸向內(nèi)外兩側(cè)發(fā)展形成自由紊動(dòng)的混合層。由于動(dòng)量的橫向傳遞，卷入的流體與射流流體混合并獲得動(dòng)量而隨原射流向前流動(dòng)，原來(lái)的流體由于動(dòng)量減小而失去速度，形成一定的速度梯度，這一過(guò)程稱為射流的卷吸（entrainment）、摻混(mixing)過(guò)程。射流的卷吸、摻混效應(yīng)在工程中應(yīng)用十分廣泛，比如脈沖袋式除塵器的反吹清灰過(guò)程[2]，射流燃燒器內(nèi)燃料的供應(yīng)與混合[3]，污水排海、排江后的輸移擴(kuò)散等。

針對(duì)增強(qiáng)射流的卷吸、摻混性能這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量的研究。禹言芳等[4]，Miller等[5]，Giorges[6]等采用數(shù)值模擬的方法；Quinn[7]等，Rao[8]等，陳冬林[9]等采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)該問(wèn)題行了探究。本文將從噴嘴形狀，噴嘴數(shù)目，噴嘴間距，噴嘴矩形截面的寬高比和射流流速比等幾個(gè)方面對(duì)這些研究進(jìn)行綜述。

1 噴嘴形狀對(duì)射流卷吸、摻混性能的影響研究與分析

近年來(lái)，Yang[10]等用數(shù)值分析的方法模擬了圓錐形、橢圓形、矩形、正方形和十字花形噴嘴的射流混合過(guò)程，分析了卷吸率和臨界背壓之間的關(guān)系，并指出可以通過(guò)改變噴嘴幾何形狀的方法來(lái)提高射流的卷吸率。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)噴嘴幾何形狀的研究主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬兩種手段。

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究能綜合考慮影響流動(dòng)的各種因素,結(jié)果客觀可靠。雖然實(shí)驗(yàn)測(cè)量有投資大、測(cè)量精度和可靠性受儀器和環(huán)境的影響等問(wèn)題，但對(duì)于復(fù)雜的紊動(dòng)射流問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)方法仍是重要的研究方法[1]。

Nathan等[11-12]第一次用實(shí)驗(yàn)的方法,在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,對(duì)9種不同形狀噴嘴（如圖1所示）的射流中心線特性和統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了研究。Quinn等[7]應(yīng)用熱線風(fēng)速儀和畢托管等設(shè)備對(duì)頂角為30°、160°的等腰三角形噴嘴、波狀圓形噴嘴和銳緣圓形噴嘴的空氣紊動(dòng)射流的軸線速度衰減率和卷吸率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。爾后，Quinn[13]利用同樣的設(shè)備測(cè)量了銳邊橢圓噴嘴和銳邊圓形噴嘴射流的軸向流速、湍流強(qiáng)度等參數(shù)，并比較了兩者之間的卷吸作用強(qiáng)度。近年來(lái)，Quinn[14-15]又利用同樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量了等邊三角形噴嘴、等腰三角形噴嘴、圓形噴嘴，以及從銳邊孔板和波形孔板噴出的橢圓噴嘴射流的平均靜態(tài)壓力和速度矢量等數(shù)據(jù)，并從這些測(cè)量的數(shù)據(jù)中得到半速度寬度、湍動(dòng)能、卷吸強(qiáng)度等參數(shù)。陳冬林等[9]應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)菱形和圓形噴嘴的空氣射流在初始段和過(guò)渡段的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)這兩種不同形狀噴嘴的射流流動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。Nastase[16]應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量并分析了圓形噴嘴、六波瓣噴嘴和帶有偏轉(zhuǎn)角度的六波瓣噴嘴（如圖2所示）的射流卷吸特性和渦旋動(dòng)力學(xué)特性。Rao[8]等第一次利用激光散射流可視化實(shí)驗(yàn)研究了頂環(huán)超音速噴嘴、橢圓急劇傾斜（ESTS）波瓣噴嘴和圓錐噴嘴（如圖3所示）射流的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)和混合特性。隨后，Rao[17]等又利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)、皮托管測(cè)壓技術(shù)和RANS模型對(duì)圓錐噴嘴、斜切噴嘴、鋸齒形噴嘴和波瓣形噴嘴（如圖4所示）的射流卷吸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。

1.2 數(shù)值分析

數(shù)值模擬分析即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，具有投資小和精度易于提高等特點(diǎn),且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，數(shù)值分析方法日趨成熟，業(yè)已成為研究流體流動(dòng)的一種有效方法。

Miller[5]等應(yīng)用自由仿真模型研究了圓形、橢圓形、矩形、正方形和三角形等幾種不同形狀的噴嘴對(duì)射流的發(fā)展和混合特性的影響。禹言芳[4]等采用RNG k-ε模型對(duì)圓形、橢圓形、正方形、十字形、三角形等5種形狀的射流進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析不同形狀的噴嘴對(duì)射流軸向速度衰減、半速度寬度等參數(shù)的影響，得到不同形狀噴嘴射流的卷吸特性。此外，Xu[18]等;Gutmark[19-23]等;Li Guoneng[24]等;Miller[25]等;Zaman[26]等也對(duì)噴嘴形狀不同的射流的卷吸、摻混特性進(jìn)行了一系列的研究。

圖1 8種不同形狀的噴嘴

圖2 波瓣噴嘴

圖3 超音速噴嘴

圖4 復(fù)雜幾何噴嘴

上述研究表明，非圓形噴嘴的射流卷吸、摻混性能優(yōu)于圓形噴嘴。其中三角形噴嘴、菱形噴嘴、橢圓噴嘴和波瓣噴嘴的射流均表現(xiàn)出較強(qiáng)的卷吸、摻混性能。與圓錐噴嘴射流相比，矩形噴嘴射流的卷吸率下降了7.1%，橢圓噴嘴射流的卷吸率下降了7.9%，正方形噴嘴射流的卷吸率提高了2%，十字形噴嘴射流的卷吸率提高了9.1%。此外，與圓錐超音速噴嘴射流相比，波瓣噴嘴射流的卷吸混合增長(zhǎng)率是斜切超音速噴嘴射流的2倍。有關(guān)三角形噴嘴、菱形噴嘴和波瓣噴嘴射流的相對(duì)卷吸、摻混強(qiáng)度問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

為了便于從根本上理解增強(qiáng)射流卷吸、摻混性能的機(jī)理，本文對(duì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因進(jìn)行了歸納整理。

眾所周知，在孔口面積相同的條件下，非圓形出口的周長(zhǎng)和表面積均比圓形出口大，因而與周?chē)黧w的接觸面積也比圓形出口大；其次，隨著射流的擴(kuò)散，非圓形射流會(huì)發(fā)生半值寬轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，即隨著射流的發(fā)展，短軸平面的射流擴(kuò)散超過(guò)長(zhǎng)軸平面射流的擴(kuò)散；此外，射流在演變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大尺度渦結(jié)構(gòu)，這些渦結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展與射流的卷吸、摻混作用息息相關(guān)，且這些渦結(jié)構(gòu)的形成和動(dòng)力學(xué)性能取決于噴嘴出口輪廓的方位角變化。其中，三角形噴嘴射流產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，方位角變化最大，矩形噴嘴射流和橢圓噴嘴射流的方位角隨軸的旋轉(zhuǎn)而變化，但是矩形射流發(fā)生軸旋轉(zhuǎn)的位置比橢圓射流遠(yuǎn)，圓形噴嘴射流不會(huì)發(fā)生軸旋轉(zhuǎn)。因此，三角形噴嘴的射流卷吸、摻混性能最強(qiáng)，圓形噴嘴最弱，橢圓形噴嘴的射流卷吸、摻混性能優(yōu)于矩形噴嘴射流。

對(duì)于波瓣噴嘴射流，其卷吸、摻混性能優(yōu)于其他噴嘴射流，其原因有3方面：（1）射流近場(chǎng)域產(chǎn)生兩個(gè)剪切層，且兩個(gè)剪切層的方位角是相反的，致使噴嘴尖端產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的流向渦，流向渦的相互作用加速射流的摻混和擴(kuò)散；（2）波瓣噴嘴中會(huì)出現(xiàn)比較大的方位馬赫數(shù)變化和強(qiáng)烈的三維結(jié)構(gòu)；（3）波瓣噴嘴的剪應(yīng)力周長(zhǎng)比圓錐噴嘴的大。而波瓣噴嘴的偏轉(zhuǎn)角度可以擴(kuò)大射流邊界層，保持射流噴嘴遠(yuǎn)流場(chǎng)域有較高的自誘導(dǎo)性能，致使有偏轉(zhuǎn)角度的波瓣噴嘴卷吸性能增強(qiáng)。

2 噴嘴數(shù)目對(duì)射流卷吸、摻混性能的影響研究與分析

多孔射流是指由多個(gè)按一定方式排列的排泄口噴出的流體流入到同種或另一種流體中的運(yùn)動(dòng)流體。多孔射流在工程中應(yīng)用也極為廣泛，如廢水排海排江的多孔擴(kuò)散器，廢熱廢氣排放的冷卻塔群、煙灶群，飛行器的推力增加器，多孔噴射燃燒等等。因此，對(duì)多噴嘴射流的研究也顯得尤為重要。

Giorges[6]應(yīng)用k-ε湍流模型比較分析了單噴嘴和多噴嘴射流流體在管道中的混合過(guò)程，并在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到射流混合程度與噴嘴數(shù)目的相關(guān)性。黃君瑤[27]和蘆綺玲[28-29]采用RNGk-ε紊流模型對(duì)管道出口多噴嘴射流的射流流場(chǎng)和消能效率進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了噴嘴數(shù)目、大小和布置方式對(duì)射流消能效率的影響。龍新平等[30]采用有限體積法和Realizable k-ε湍流模型，對(duì)多噴嘴射流泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，并運(yùn)用渦動(dòng)力學(xué)理論對(duì)喉管內(nèi)工作流體和被吸入流體的混合機(jī)理進(jìn)行分析。Barik[31]應(yīng)用k-ε湍流模型研究了噴嘴形狀、噴嘴數(shù)量、入射流速對(duì)紅外線抑制設(shè)備卷吸質(zhì)量的影響。

上述研究表明，適當(dāng)增加噴嘴的數(shù)量可以增強(qiáng)射流的卷吸、摻混性能。這主要是因?yàn)樵诒３稚淞骺倷M截面積不變的情況下，隨著噴嘴數(shù)目的增多，射流流體與周?chē)黧w的接觸面積顯著增加，從而使射流與環(huán)境流體發(fā)生摻混的幾率增大。但是當(dāng)噴嘴數(shù)目過(guò)多時(shí)，噴嘴間距減小，相鄰水股之間的吸附作用增強(qiáng)，最終匯合成一股射流，從而使射流流體與環(huán)境流體的接觸面積減小，進(jìn)而削弱射流的卷吸、摻混性能。

3 噴嘴間距對(duì)射流卷吸、摻混性能的影響

多孔射流與單孔射流的最大區(qū)別就是多孔射流相鄰兩股流體之間存在相互吸附的效應(yīng)（Coanda效應(yīng)），這一效應(yīng)與射流的卷吸、摻混性能息息相關(guān)，且這一效應(yīng)的強(qiáng)弱與多孔射流的噴嘴間距有關(guān)。

張曉元[32]等采用k-ε湍流模型及混合有限分析法對(duì)均勻排列的平面多噴嘴射流混合區(qū)內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬,計(jì)算了不同相對(duì)孔間距對(duì)混合區(qū)內(nèi)流動(dòng)特性的影響。盧曉江等[33]采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型并結(jié)合壓力隱式分裂算子對(duì)兩噴嘴射流在不同孔間距和壓力下的速度分布進(jìn)行了研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。肖洋[34]等應(yīng)用Realizable k-ε模型，研究了噴嘴間距與噴嘴直徑比值為 2，3，5，7，9 時(shí)，兩噴嘴射流濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化情況，分析了射流紊動(dòng)能的分布情況，揭示了射流孔間距對(duì)多孔射流摻混特性的影響規(guī)律。Moawad[35]等用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量了射流與橫流流速比值為3.5～10，噴嘴間距為8 d～16 d的多噴嘴射流的稀釋程度，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了詳盡的分析。

上述研究表明，多噴嘴射流的卷吸、摻混性能與噴嘴間距有很大關(guān)系，且隨著噴嘴間距的增大，射流的卷吸、摻混性能增強(qiáng)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：隨噴嘴間距的增加，各股射流之間的相互吸附作用減小，第一個(gè)射流對(duì)后面射流的遮擋作用減小，使后面的射流與周?chē)h(huán)境有更大的接觸面積。

4 矩形噴嘴寬高比對(duì)射流卷吸、摻混性能的影響研究與分析

20世紀(jì)70年代后期，由于矩形的軸旋轉(zhuǎn)和半值寬轉(zhuǎn)換特性，以矩形為橫截面特征的二元噴嘴射流研究得到迅速發(fā)展，為了增大矩形噴嘴射流的卷吸、摻混特性，研究人員逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到矩形噴嘴的寬高比上面，其中，寬高比是指矩形截面寬度與高度的比值。

張勃[36]等采用Couple隱式算法，RNG k-ε湍流模型，研究了寬高比分別為 1，4，8，12，16 的矩形噴嘴射流與環(huán)境流體的摻混特性,并與等截面面積的軸對(duì)稱噴嘴射流進(jìn)行比較。Quinn[37]等利用熱線風(fēng)速儀分別測(cè)量了寬高比為2和10的銳邊矩形噴嘴射流的平均流速、湍動(dòng)能、雷諾剪切應(yīng)力等值，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到矩形噴嘴射流的混合強(qiáng)度。

研究表明，矩形噴嘴截面的寬高比對(duì)射流的卷吸、摻混性能影響很大，且隨著寬高比的增大，射流的摻混性能增強(qiáng)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：在保持矩形噴嘴截面積不變的前提下，噴嘴截面寬高比越大，濕邊周長(zhǎng)越大，射流流體與環(huán)境流體的接觸面積就越大，卷吸、摻混現(xiàn)象就越劇烈。

5 流速比對(duì)射流卷吸、摻混效應(yīng)的影響研究與分析

在工程上，廢水的排放和稀釋?zhuān)紵覂?nèi)冷卻氣的引入等都是在橫流條件下進(jìn)行的，射流流速與橫流的比值（以下簡(jiǎn)稱流速比）會(huì)影響射流的發(fā)展，進(jìn)而影響射流的卷吸、摻混性能。

薛晨亮等[38]利用雷諾應(yīng)力模型對(duì)同流中三噴嘴熱水浮射流進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同流速比下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了不同流速比對(duì)各股射流之間的相互影響，最后得出三種流速比下的射流軌跡線。肖洋[39]等基于LIF技術(shù)和PIV技術(shù)對(duì)橫流中多噴嘴射流的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了詳盡研究，并分析了射流與橫流之間，各股射流之間的相互作用。劉輝等[40]利用實(shí)驗(yàn)的方法考察了釜內(nèi)受限射流時(shí)均流速分布特征，并利用相似理論總結(jié)出釜式反應(yīng)器內(nèi)受限射流的主要流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。

上述研究表明，在橫流條件下，增大射流流速與橫流流速的比值可以增大射流的卷吸、摻混性能。其原因是：在較低的流速比情況下，橫向流動(dòng)占主導(dǎo)地位，橫向流動(dòng)使射流發(fā)生彎曲，引起各股射流之間的合并，減少了射流流體與環(huán)境流體的有效接觸面積；同時(shí)，由于環(huán)境與射流的相互作用，產(chǎn)生了高壓區(qū)，這個(gè)高壓區(qū)引起環(huán)境流體的部分停滯，抑制了射流卷吸環(huán)境流體的能力。而在較高的流速比條件下，射流占主導(dǎo)地位，橫流的影響減小，從而使橫流中多孔水平射流的卷吸、摻混性能增強(qiáng)。

6 其他方法研究

6.1 內(nèi)外噴嘴相對(duì)長(zhǎng)度

沈惠沖等[2]采用均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和RNG k-ε湍流模型對(duì)圖5中所示的單噴嘴射流、剪切式噴嘴射流(中心噴嘴與周?chē)鷩娮斓乳L(zhǎng))、中伸式噴嘴射流（中心噴嘴伸出周?chē)鷩娮斓那闆r）、中縮式噴嘴射流（中心噴嘴縮回周?chē)鷩娮斓那闆r）等4種射流情況下，被卷吸的二次誘導(dǎo)風(fēng)量進(jìn)行了仿真模擬。

圖5 脈沖噴吹機(jī)構(gòu)

研究結(jié)果表明，改變中心噴嘴與周?chē)鷩娮斓南鄬?duì)長(zhǎng)度，可以改變相同脈沖噴吹氣流流量條件下的被卷吸氣體的質(zhì)量流量，且在噴吹相同質(zhì)量流量壓縮空氣的前提下，剪切式噴嘴射流可比傳統(tǒng)的單射流卷吸更多的空氣，其中中伸式噴嘴的射流卷吸量最多。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：除傳統(tǒng)的單噴嘴之外的其他3種噴嘴在噴吹氣流的時(shí)候，中心噴嘴噴出的射流速度均大于周?chē)鷩娮斓纳淞魉俣龋诟咚偕淞髁黧w與環(huán)境流體的接觸邊界附近出現(xiàn)湍流強(qiáng)度的最大值,形成大尺度剪切渦，這些大尺度渦對(duì)環(huán)境流體有強(qiáng)烈的吞噬夾帶作用,從而使剪切噴嘴的射流卷吸率比相同條件下的單噴嘴大得多。由于中縮式噴嘴中心射流起始段被周?chē)鷩娮旃鼙诎鼑羟袦u的發(fā)展受到限制，卷吸作用削弱，射流整體對(duì)環(huán)境周?chē)黧w的吞噬夾帶作用明顯降低。而中伸式噴嘴的中心射流管比較突出，且流體流速較快，這一特點(diǎn)增加了射流整體較大的湍流擾動(dòng)強(qiáng)度，強(qiáng)化了由剪切作用產(chǎn)生的大尺度渦對(duì)環(huán)境流體的強(qiáng)烈吞噬夾帶作用，因此中伸式噴嘴射流能夠卷吸更多的空氣。

6.2 噴嘴后緣修改

噴嘴后緣修改就是對(duì)噴嘴壁面的簡(jiǎn)單切除。

Kim等[41]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了噴嘴后緣修改對(duì)射流卷吸、摻混效應(yīng)的影響，探索了流向渦的成因，并利用激光板照射技術(shù)闡明了射流混合層與渦結(jié)構(gòu)的相互作用。Samimy等[42]采用光譜診斷和噪聲測(cè)量設(shè)備研究了矩形噴嘴后緣修改對(duì)射流卷吸效率和噪聲消減的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，在非理想擴(kuò)展流動(dòng)區(qū)，后緣修改后的噴嘴噴出的流體卷吸、摻混性能增強(qiáng)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：噴嘴后緣被修改邊的順延展方向存在壓力梯度，壓力梯度的存在會(huì)產(chǎn)生流向渦，由于噴嘴界面的擴(kuò)張，噴嘴一邊產(chǎn)生的流向渦在一定的距離內(nèi)不會(huì)與另一側(cè)的流向渦匯合，這就使噴嘴后緣修改產(chǎn)生的流向渦相互獨(dú)立，進(jìn)而使射流流體與環(huán)境流體的有效接觸面積增大，混合能力增強(qiáng)。

6.3 噴嘴突擴(kuò)

Sau[43]對(duì)有突然擴(kuò)大和突然縮小部分的矩形噴嘴射流進(jìn)行了三維數(shù)值仿真，研究了流向渦結(jié)構(gòu)在噴嘴突然擴(kuò)大和突然縮小部分的發(fā)展和動(dòng)力學(xué)性能對(duì)射流卷吸、摻混性能的影響。Iyogun等[44]采用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)平滑圓管、圓形噴嘴、方形噴嘴、矩形噴嘴、三角形噴嘴在有無(wú)突然擴(kuò)大部分兩種情形下射流的卷吸和擴(kuò)散情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明，有突然擴(kuò)大部分的噴嘴的射流卷吸能力高于沒(méi)有突然擴(kuò)大部分的噴嘴，而且這種現(xiàn)象在非軸對(duì)稱噴嘴射流中比較明顯。

7 總結(jié)和展望

綜上所述，改變射流的噴嘴形狀，噴嘴數(shù)目，噴嘴間距，矩形噴嘴截面的寬高比和射流流速均可以增強(qiáng)射流的卷吸、摻混性能。

由研究者的研究成果可知，射流的卷吸、摻混效應(yīng)跟大尺度渦結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。而大尺度渦結(jié)構(gòu)的形成和動(dòng)力學(xué)特征主要取決于射流出口輪廓曲率方位角的變化，不同形狀噴嘴的出口輪廓不同，射流方位角變化也就不同。例如：圓形噴嘴射流屬于軸對(duì)稱射流，不會(huì)發(fā)生方位角變化；非圓噴嘴射流一般都會(huì)發(fā)生方位角變化，其中三角形噴嘴射流方位角變化最大；橢圓噴嘴射流發(fā)生方位角變化的位置距離射流出口比矩形射流近。

射流的卷吸、摻混性能不僅與大尺度渦結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)，還與入射流體與環(huán)境流體的接觸面積有關(guān)，接觸面積增大，卷吸、摻混性能就會(huì)增強(qiáng)。增加噴嘴數(shù)目，增大噴嘴孔間距和矩形噴嘴的寬高比都可以增加射流的接觸面積。

先前研究人員對(duì)射流卷吸、摻混性能的研究主要有實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值分析兩種方式。RNG k-ε湍流模型是數(shù)值分析中最常用的模型，其最大的特點(diǎn)在于：方程中的常數(shù)是用理論推導(dǎo)出來(lái)的，并非用實(shí)驗(yàn)的方式得到；對(duì)紊流粘性系數(shù)進(jìn)行了修正，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況；在耗散方程中的系數(shù)體現(xiàn)了平均應(yīng)變率對(duì)耗散項(xiàng)的影響。因此該模型能較好地模擬高速射流各向異性，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[45]。對(duì)射流卷吸、摻混問(wèn)題的研究所用的實(shí)驗(yàn)方法主要有測(cè)速管測(cè)量法、熱膜熱線測(cè)速法、激光多普勒測(cè)速法、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)和粒子圖像測(cè)速法等。其中，測(cè)速管測(cè)量法簡(jiǎn)單、方便、成本低、易于掌控，但是動(dòng)態(tài)性能差，精度不高，工作量大；熱膜熱線測(cè)量法分辨率高、測(cè)速范圍大、對(duì)流體干擾小，但是設(shè)備壽命短；激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)不敏感，且是單點(diǎn)測(cè)量，工作量較大；激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)既可以定性揭示流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以用于濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等參數(shù)的定量測(cè)量，但是它的熒光物質(zhì)大多具有一定的毒性，而且在進(jìn)行定量處理時(shí)只能通過(guò)標(biāo)定曲線來(lái)完成，限制了測(cè)量精度；粒子圖像測(cè)速法克服了流場(chǎng)測(cè)試中單點(diǎn)測(cè)量的局限性，能進(jìn)行二維和三維瞬時(shí)速度測(cè)量，可以在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)測(cè)量平面的信息，且對(duì)流場(chǎng)不會(huì)形成干擾[3]。

雖然研究人員對(duì)增強(qiáng)射流卷吸、摻混性能的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但是仍存在一些尚未解決的問(wèn)題。

第一，對(duì)增強(qiáng)射流卷吸、摻混性能這一問(wèn)題的研究大都是在無(wú)邊界限制的空間中進(jìn)行的，也就是說(shuō)不考慮固體邊界對(duì)射流的影響，而對(duì)于固體邊界會(huì)不會(huì)影響射流的發(fā)展和流動(dòng)特性以及對(duì)射流發(fā)展有什么影響等問(wèn)題尚不是很明確。

第二，研究人員對(duì)射流卷吸、摻混特性和流動(dòng)特性等物理層面的研究相對(duì)較多，而對(duì)相互溶解的濃度或密度不同的液相射流在發(fā)展過(guò)程中發(fā)生的分子擴(kuò)散、能量釋放和熱量傳遞等化學(xué)方面的研究相對(duì)較少。

第三，研究人員對(duì)多噴嘴射流的研究大都是采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行的，而數(shù)值分析方法不能十分精確地模擬出各股射流之間以及射流與環(huán)境之間的相互影響。

基于上述問(wèn)題,今后對(duì)射流卷吸、摻混性能的研究應(yīng)注重以下幾個(gè)方面:

（1）加強(qiáng)對(duì)受限射流（有邊界限制的射流流動(dòng)）的研究，射流泵、噴射器、燃燒器以及管式增壓器等輸送及混合反應(yīng)設(shè)備中的流動(dòng)均可概述為受限射流。對(duì)受限射流的研究可以從邊界尺寸和邊界樣式對(duì)射流發(fā)展和流動(dòng)特性的影響兩個(gè)方面入手。

（2）運(yùn)用物理化學(xué)知識(shí)研究射流發(fā)展過(guò)程中的發(fā)生的輸移擴(kuò)散、熱量傳遞和自由能變化對(duì)射流發(fā)展的影響。

（3）運(yùn)用粒子圖像測(cè)速儀等先進(jìn)設(shè)備對(duì)比較復(fù)雜的射流進(jìn)行研究，綜合考慮地形、溫度、橫流等外部因素對(duì)射流流動(dòng)特性的影響。

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Research on Free Turbulent Jet's Enhancement of Entrainment and Mixing Performance

LIANG Lan-jian1,YUAN Peng1,2,LI Ren-jun1
1.Engineering of College,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China;
2.Ocean Renewable Energy Key Laboratory of Qingdao,Qingdao 266100,Shandong Province,China

As a special form of fluid movement,the jet is widely used in engineering.Entrainment and mixing effect are the two important characteristics of jet,with their action existing through the whole process of jet.A lot of research work has been made on entrainment and mixing performance of jet in the aspects of theoretical analysis,experimental measurement and numerical simulation,and many methods have been raised to improve the entrainment and mixing performance.In this paper,the methods,current status and results of the research on how to enhance jet's entrainment and mixing performance are summarized and analyzed in the aspects of nozzle's shape,number of nozzels,nozzel spacing,aspect ratio and jet's velocity ratio.In addition,some existing problems are discussed and the research directions in this field are also prospected.

jet;fluid movement;entrainment;mixing

TV132

A

1003-2029（2017）05-0127-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.020

2016-11-24

梁蘭健（1991-），男，碩士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髾C(jī)電裝備與儀器等的研究。E-mail:1256885688@qq.com