论文题目：温度和浓度共存均匀环境流体中弱轴对称圆形喷泉流动行为研究
摘要：负浮力射流在自然界和工农业领域随处可见,有着非常广泛的应用领域。如工业和生活污水排入江河、工业烟囱排放在大气中的工业废气、太阳能脱盐制淡水的污水排放、农业喷灌污水以及在建筑热环境中,新风通过地板送风系统向上注入室内时,注入空气温度和污染物浓度与室内温度和污染物浓度不同导致密度不同从而形成负浮力射流。负浮力射流和环境流体之间会发生卷积和掺混,对负浮力射流在温度和浓度共存环境流体中处于各种不同流动状态下的瞬时流动特征和输移机理以及卷积掺混特性进行透彻的了解和掌握至关重要。本文通过用户自定义函数（UDF）计算流体密度,并利用自定义标量方程（UDS）构建流体浓度输运方程,建立二维非稳态温度和浓度共存均匀环境流体中弱轴对称圆形喷泉流动物理和数学模型,并通过经典文献验证模型有效性。喷泉流动行为主要受Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N等关键参数的影响,本文对弱轴对称圆形喷泉在0.25￡FrT￡2.0,20￡Re￡300,-0.75￡N￡5.0（这里FrT为只考虑温度计算得到的Froude数）区间范围进行一系列二维直接数值模拟（DNS）计算来研究这些控制参数对喷泉瞬态行为的影响,并根据DNS计算结果定量和定性分析和量化Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N对喷泉初始最大射流高度、时间平均最大射流高度、到达初始最大射流高度时间、射流穿透总体宽度、射流上升流宽度和卷吸等的影响。根据本文所研究的Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N范围内的直接数值模拟（DNS）研究结果表明:（1）当Fr数或Re数较低时,喷泉一般能在整个时间段内保持对称特性;但当Fr数或Re数较大时（Re200,FrT1.0）,喷泉只有在早期发展阶段呈现对称特性。与Fr数和Re数影响趋势相反的是,浮力比N对负浮力射流流动的稳定和减小甚至消除喷泉的非对称特征起到积极作用。（2）初始最大射流高度,时间平均最大射流高度、到达初始最大射流高度时间、射流穿透整体宽度、射流上升流宽度都随Fr数或Re数的增大而增大。与Fr数和Re数的影响趋势相反的是,随N数的增大而减小。（3）当Fr2.0时,本文也根据直接数值模拟（DNS）结果得到了和课题组先前对弱负浮力射流在只有温度存在的环境流体中利用无量纲和标度分析方法定量分析关键参数（初始最大射流高度,时间平均最大射流高度、射流穿透总体宽度）得到的线性比例关系,尽管有细微差别也是由于浓度作用力所引起的。将一系列不同温度和不同浓度的盐水从底部中心垂直向上射入静止的均匀密度和温度的测试水箱,并通过调节喷泉入射口体积流量实现0.5￡FrT￡6.0,47￡Re￡824,0￡N￡5.0范围内的29组温度和浓度共存于均匀环境流体中喷泉的粒子图像测速法（PIV）和二维激光诱导荧光技术（PLIF）实验,并挑选三组喷泉实验结果与相应工况的直接数值计算（DNS）进行定量和定性比较后表明两者几乎一致,表明直接数值计算（DNS）程序的准确性。通过一系列的实验结果表明:（1）当Re（Re（?）100）或Fr（Frr（?）T2）数较低或N较大时负浮力射流一般能始终保持对称特征,但当Fr、Re较大或N较小时,对称性只呈现在早期发展阶段,而后失去对称性。（2）与Fr数和Re数的影响趋势相反的是,当负浮力比N增大时,浓度所产生的浮升力相应增大,负浮力增大,对喷泉流动失稳和湍流形成起到抑止作用。（3）根据实验结果,定性分析和量化喷泉初始最大射流高度zm,i与Fr,Re和N之间的标度关系,结果表明课题组前期研究的弱负浮力射流在只有温度存在的环境流体中通过无量纲和标度分析得到的初始最大射流高度zm,iFr的关系式也适用于温度和浓度共存环境流体中的弱喷泉,并且Fr和Re对这些特征参数有显著的影响,而浮力比N对这些特征参数的影响相对较小。对于负浮力射流在温度和浓度共存环境中的具体应用方面,本论文以建筑物室内地板通风排污为研究对象,采用直接数值模拟计算（DNS）定性和定量分析送风强度（Re）、送风温度（Fr）、污染物强度（N）对室内空气品质和通风效率的影响。研究结果表明:（1）通风效率随送风强度和污染强度的增大而增大,随送风温度的增大而减小;（2）通风效率和空气品质的影响因素中送风强度占主导地位;（3）所有的直接数值模拟DNS计算工况中建筑物室内都呈现温度和浓度分层现象。直接数值模拟计算（DNS）研究结果为地板送风系统的设计提供一定的参考价值。综上所述,本文将综合利用粒子图像测速法（PIV）和二维激光诱导荧光技术（PLIF）实验测试方法、直接数值模拟（DNS）计算方法以及标度分析方法来研究温度和浓度共存均匀环境流体中圆形喷泉的输移机理和卷吸掺混特性,从而为工程水力学和环境流体力学以及湍流理论提供宝贵的新知识和新内容,这无疑具有十分重要的科学意义和理论价值。
关键词：弱轴对称;圆形喷泉;直接数值模拟;标度分析;PIV/PLIF
学科专业：农业生物环境与能源工程
摘要
Abstract
主要符号表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状与发展趋势
1.2.1 单一组分环境流体中的喷泉流动行为
1.2.2 多组分环境流体中的喷泉流动行为
1.2.3 分层环境流体中的喷泉流动行为
1.2.4 建筑物室内地板通风排污
1.3 研究方法和思路
第2章 计算模型与方法以及实验方法和装置
2.1 引言
2.2 物理模型及相关假设
2.3 数值模拟计算模型及计算方法
2.3.1 流体流动控制方程
2.3.2 边界条件和初始条件
2.3.3 控制方程和无量纲化
2.3.4 数值模拟计算方法
2.4 实验方法和实验装置
2.4.1 实验方法
2.4.2 实验装置
2.4.3 实验步骤
2.5 本章小结
第3章 直接数值模拟计算及结果分析
3.1 计算工况的选择与确定
3.2 定性观察
3.2.1 瞬时云图的演变
3.2.2 Fr_T的影响
3.2.3 Re的影响
3.2.4 N的影响
3.3 喷泉最大上升高度定量分析
3.3.1 喷泉高度随时间的变化
3.3.2 喷泉初始最大射流高度定量分析
3.3.3 到达喷泉初始最大射流高度的时间定量分析
3.3.4 时间平均喷泉最大射流高度定量分析
3.3.5 随时间变化的喷泉高度标度分析
3.4 喷泉的上升流动宽度和整体宽度定量分析
3.4.1 Fr和 N对 r_u和 r_w的影响
3.4.2 Re数对r_u和r_w的影响
3.4.3 Fr和 Re对 r_u和 r_w的共同影响
3.4.4 喷泉核心区域内速度、温度和浓度分布
3.5 卷吸
3.5.1 卷吸系数的定义
3.5.2 卷吸系数的计算
3.6 本章小结
第4章 均匀环境流体中圆形喷泉PIV/PLIF研究
4.1 实验工况
4.2 DNS数值模拟计算验证
4.3 实验结果和讨论
4.3.1 代表性弱喷泉和强喷泉的温度演化特征
4.3.2 Re数对喷泉的影响
4.3.3 Fr数对喷泉的影响
4.3.4 N数对喷泉的影响
4.4 弱喷泉初始最大射流高度分析
4.4.1 Fr数的影响
4.4.2 Re数的影响
4.4.3 结合Fr,Re,N数对喷泉初始最大射流高度z_(m,i)的影响
4.5 本章小结
第5章 建筑物室内地板送风排污研究
5.1 引言
5.2 物理模型及相关假设
5.3 数值模拟计算模型及计算方法
5.3.1 控制方程
5.3.2 边界条件和初始条件
5.3.3 控制方程和无量纲化
5.3.4 数值模拟计算方法
5.4 数值模拟计算工况确定
5.5 定量观察
5.6 定性分析
5.6.1 浮力比N(污染物强度)对室内通风效率的定性分析
5.6.2 Fr(送风温度)对室内通风效率的定性分析
5.6.3 Re(送风强度)对室内通风效率的定性分析
5.6.4 Fr,Re,N对通风效率的整体影响
5.7 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 本文结论
6.2 本文创新点
6.3 存在的问题与展望
参考文献
附录 A UDS浓度方程源码
附录 B 温度和浓度共存环境流体中喷泉高度无量纲分析
2.参与国家基金项目
致谢