層結(jié)環(huán)境中浮力羽流的質(zhì)量輸移過程
發(fā)布時間：2021-08-12 01:02
在線性層結(jié)鹽水中進行18組浮力羽流實驗,采用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)獲取羽流的時空高分辨率流場,提出浮力羽流最大輸移質(zhì)量計算公式,并定量分析羽流卷吸及質(zhì)量輸移過程.實驗結(jié)果表明:卷吸系數(shù)從噴口處開始沿著射流方向逐漸增加,并在最大穿透距離0.3～0.5倍時,于數(shù)值0.11左右波動,之后逐漸減小為負值.浮力羽流在羽干處卷吸入周圍環(huán)境流體后,沿射流方向被輸移到最大穿透距離處,并在其約0.65倍處垂向質(zhì)量通量達到最大值;混合后的羽流最終在中性浮力層向四周擴散;最大輸移質(zhì)量由浮力通量、浮力頻率和與噴口處于相同高度的周圍環(huán)境密度共同決定.層結(jié)環(huán)境折射率變化引起的偽湍動進而導致最大輸移質(zhì)量計算誤差約為3%,因此折射率變化的影響可以忽略.
【文章來源】：上海交通大學學報. 2019,53(04)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
實驗裝置示意圖Fig．1Experimentalsetup
第4期趙亮，等:層結(jié)環(huán)境中浮力羽流的質(zhì)量輸移過程475圖1實驗裝置示意圖Fig．1Experimentalsetup圖2PIV采集的原始圖像(工況10)Fig．2TheinitialimagecollectedbyPIV(Case10)50%．獲得流場數(shù)據(jù)后，再通過MATLAB進一步分析數(shù)據(jù)．1．2工況設(shè)計浮力頻率(N)定量表征環(huán)境的密度層結(jié)性，初始浮力通量(B)為噴口入射條件的度量，兩者是浮力羽流的基本參數(shù)．計算表達式分別為N=－gρb?ρ1槡?z(1)B=gρ0－ρaρaQ(2)式中:g表示重力加速度;ρ0表示噴口出流鹽水密度;ρa表示與噴口處于相同高度的周圍環(huán)境鹽水密度;ρb表示水槽底部的環(huán)境鹽水密度;Q表示噴口出流鹽水的體積通量(噴口流量);?ρ1/?z表示層結(jié)環(huán)境的密度梯度．表1所示為根據(jù)N、Q、ρ0和噴口直徑表1實驗工況相關(guān)參數(shù)Tab．1Experimentalparameters工況N/s－1ρ0/(kg·m3)Q/(cm3·s－1)B/(cm4·s－3)d/cm10．9010193．1256．00．520．6410263．0981．60．530．8810263．2381．70．540．9010263．2680．40．550．8210263．4380．10．560．6610063．2420．40．770．6510113．0835．40．780．6310113．3037．60．790．8710113．3017．10．7100．5710192．5546．00．7110．8810193．0955．50．7120．6610193．2520．20．7130．6310193．3963．00．7140．5510193．9067．50．7150．6510261．1527．60．7160．6610263．0680．50．7170．9110263．2582．60．7180．6410263．4290．00．7d等參數(shù)，設(shè)計的18組不同的實驗工況．在實驗水槽的壁面等較深位置處布?
?羽流的卷吸系數(shù)αe．由式(6)和(7)可得:αe=56－dbd()z(8)1．3．2垂向質(zhì)量通量浮力羽流在對于海底成礦、海洋勘探等具有重要影響．其輸移質(zhì)量可通過垂向質(zhì)量通量M來表示為［17］M(z)=∫∞02πρWrdr(9)式中:r表示圓柱坐標系中的羽流水平半徑，且最大值rmax=b;ρ表示羽流密度．2實驗結(jié)果與分析2．1卷吸過程為了便于顯示，將羽干平均分成11層，采用式(5)對每層羽流垂向時均速度分量進行曲線擬合(圖3)，從而得到b，再通過有限差分法計算－db/dz，由式(8)計算得到αe．羽干各層垂向速度分量的擬合結(jié)果如表2所示，羽干的垂向時均速度分量符合高斯分布，表明本文實驗滿足MTT模型卷吸理論中關(guān)于羽干垂向速度分布的假設(shè)．采用文獻［12］中的方法確定本實驗中羽流的最大穿透距離Zmax，并將其作為無量綱化參數(shù)，對羽流圖3垂向時均速度分量的高斯曲線擬合(工況10)Fig．3Gaussianfittingofmeanverticalvelocity(Case10)表2羽干各層垂向時均速度分量的高斯曲線擬合(工況10)Tab．2ＲesultsofGaussianfittingformeanverticalveloci-tycomponentateachlevel(Case10)z/cmWm/(cm·s－1)xm/mmb/mm擬合殘差－0．85－1．460．504．356．20×10－7－1．70－3．690．924．752．69×10－6－2．55－5．841．015．563．27×10－6－3．40－5．781．116．652．17×10－6－4．25－5．381．207．956．83×10－6－5．10－4．771．269．042．17×10－5－5．95－3．961．369．905．38×10－5－6．80－3．931．4210．24．98×1
本文編號：3337257
【文章來源】：上海交通大學學報. 2019,53(04)北大核心EICSCD
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實驗裝置示意圖Fig．1Experimentalsetup
第4期趙亮，等:層結(jié)環(huán)境中浮力羽流的質(zhì)量輸移過程475圖1實驗裝置示意圖Fig．1Experimentalsetup圖2PIV采集的原始圖像(工況10)Fig．2TheinitialimagecollectedbyPIV(Case10)50%．獲得流場數(shù)據(jù)后，再通過MATLAB進一步分析數(shù)據(jù)．1．2工況設(shè)計浮力頻率(N)定量表征環(huán)境的密度層結(jié)性，初始浮力通量(B)為噴口入射條件的度量，兩者是浮力羽流的基本參數(shù)．計算表達式分別為N=－gρb?ρ1槡?z(1)B=gρ0－ρaρaQ(2)式中:g表示重力加速度;ρ0表示噴口出流鹽水密度;ρa表示與噴口處于相同高度的周圍環(huán)境鹽水密度;ρb表示水槽底部的環(huán)境鹽水密度;Q表示噴口出流鹽水的體積通量(噴口流量);?ρ1/?z表示層結(jié)環(huán)境的密度梯度．表1所示為根據(jù)N、Q、ρ0和噴口直徑表1實驗工況相關(guān)參數(shù)Tab．1Experimentalparameters工況N/s－1ρ0/(kg·m3)Q/(cm3·s－1)B/(cm4·s－3)d/cm10．9010193．1256．00．520．6410263．0981．60．530．8810263．2381．70．540．9010263．2680．40．550．8210263．4380．10．560．6610063．2420．40．770．6510113．0835．40．780．6310113．3037．60．790．8710113．3017．10．7100．5710192．5546．00．7110．8810193．0955．50．7120．6610193．2520．20．7130．6310193．3963．00．7140．5510193．9067．50．7150．6510261．1527．60．7160．6610263．0680．50．7170．9110263．2582．60．7180．6410263．4290．00．7d等參數(shù)，設(shè)計的18組不同的實驗工況．在實驗水槽的壁面等較深位置處布?
?羽流的卷吸系數(shù)αe．由式(6)和(7)可得:αe=56－dbd()z(8)1．3．2垂向質(zhì)量通量浮力羽流在對于海底成礦、海洋勘探等具有重要影響．其輸移質(zhì)量可通過垂向質(zhì)量通量M來表示為［17］M(z)=∫∞02πρWrdr(9)式中:r表示圓柱坐標系中的羽流水平半徑，且最大值rmax=b;ρ表示羽流密度．2實驗結(jié)果與分析2．1卷吸過程為了便于顯示，將羽干平均分成11層，采用式(5)對每層羽流垂向時均速度分量進行曲線擬合(圖3)，從而得到b，再通過有限差分法計算－db/dz，由式(8)計算得到αe．羽干各層垂向速度分量的擬合結(jié)果如表2所示，羽干的垂向時均速度分量符合高斯分布，表明本文實驗滿足MTT模型卷吸理論中關(guān)于羽干垂向速度分布的假設(shè)．采用文獻［12］中的方法確定本實驗中羽流的最大穿透距離Zmax，并將其作為無量綱化參數(shù)，對羽流圖3垂向時均速度分量的高斯曲線擬合(工況10)Fig．3Gaussianfittingofmeanverticalvelocity(Case10)表2羽干各層垂向時均速度分量的高斯曲線擬合(工況10)Tab．2ＲesultsofGaussianfittingformeanverticalveloci-tycomponentateachlevel(Case10)z/cmWm/(cm·s－1)xm/mmb/mm擬合殘差－0．85－1．460．504．356．20×10－7－1．70－3．690．924．752．69×10－6－2．55－5．841．015．563．27×10－6－3．40－5．781．116．652．17×10－6－4．25－5．381．207．956．83×10－6－5．10－4．771．269．042．17×10－5－5．95－3．961．369．905．38×10－5－6．80－3．931．4210．24．98×1
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