增强自由紊动射流卷吸、掺混性能的研究

梁兰健，袁 鹏,2,李仁军

（1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.青岛市海洋可再生能源重点实验室，山东 青岛 266100）

增强自由紊动射流卷吸、掺混性能的研究

梁兰健1，袁 鹏1,2,李仁军1

（1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.青岛市海洋可再生能源重点实验室，山东 青岛 266100）

射流作为流体运动的一种特殊形式，在工程中具有非常广泛的应用。其中，卷吸和掺混效应是射流的两大重要特征，其影响贯穿射流发展的整个过程。长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟等几个方面对射流的卷吸、掺混性能进行了大量的研究工作,并探索出多种提高射流卷吸、掺混性能的方法。文中从喷嘴形状，喷嘴数目，喷嘴间距，喷嘴矩形截面宽高比和射流流速比等几个方面，对增强射流卷吸、掺混性能的研究方法、研究现状和研究结果进行了整理、分析，讨论了该领域存在的问题，并对该领域的研究方向进行了展望。

射流；流体运动；卷吸；掺混

由各种形式的喷嘴喷出，进入到同种或另一种流体域内的一股或多股运动流体，称为射流[1]。由喷嘴射入的流体与其周围流体之间存在着切向间断面，此切向间断面是不稳定的，一旦受到扰动将失去稳定而产生漩涡，卷吸周围流体进入射流流体，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展形成自由紊动的混合层。由于动量的横向传递，卷入的流体与射流流体混合并获得动量而随原射流向前流动，原来的流体由于动量减小而失去速度，形成一定的速度梯度，这一过程称为射流的卷吸（entrainment）、掺混(mixing)过程。射流的卷吸、掺混效应在工程中应用十分广泛，比如脉冲袋式除尘器的反吹清灰过程[2]，射流燃烧器内燃料的供应与混合[3]，污水排海、排江后的输移扩散等。

针对增强射流的卷吸、掺混性能这一问题，国内外研究人员进行了大量的研究。禹言芳等[4]，Miller等[5]，Giorges[6]等采用数值模拟的方法；Quinn[7]等，Rao[8]等，陈冬林[9]等采用实验的方法对该问题行了探究。本文将从喷嘴形状，喷嘴数目，喷嘴间距，喷嘴矩形截面的宽高比和射流流速比等几个方面对这些研究进行综述。

1 喷嘴形状对射流卷吸、掺混性能的影响研究与分析

近年来，Yang[10]等用数值分析的方法模拟了圆锥形、椭圆形、矩形、正方形和十字花形喷嘴的射流混合过程，分析了卷吸率和临界背压之间的关系，并指出可以通过改变喷嘴几何形状的方法来提高射流的卷吸率。长期以来，对喷嘴几何形状的研究主要有实验方法和数值模拟两种手段。

1.1 实验研究

实验研究能综合考虑影响流动的各种因素,结果客观可靠。虽然实验测量有投资大、测量精度和可靠性受仪器和环境的影响等问题，但对于复杂的紊动射流问题,实验方法仍是重要的研究方法[1]。

Nathan等[11-12]第一次用实验的方法,在相同的实验环境下,对9种不同形状喷嘴（如图1所示）的射流中心线特性和统计特性进行了研究。Quinn等[7]应用热线风速仪和毕托管等设备对顶角为30°、160°的等腰三角形喷嘴、波状圆形喷嘴和锐缘圆形喷嘴的空气紊动射流的轴线速度衰减率和卷吸率进行了实验测量。尔后，Quinn[13]利用同样的设备测量了锐边椭圆喷嘴和锐边圆形喷嘴射流的轴向流速、湍流强度等参数，并比较了两者之间的卷吸作用强度。近年来，Quinn[14-15]又利用同样的实验设备测量了等边三角形喷嘴、等腰三角形喷嘴、圆形喷嘴，以及从锐边孔板和波形孔板喷出的椭圆喷嘴射流的平均静态压力和速度矢量等数据，并从这些测量的数据中得到半速度宽度、湍动能、卷吸强度等参数。陈冬林等[9]应用粒子图像测速技术对菱形和圆形喷嘴的空气射流在初始段和过渡段的流场进行了实验测量，并对这两种不同形状喷嘴的射流流动特性进行了对比分析。Nastase[16]应用激光诱导荧光技术测量并分析了圆形喷嘴、六波瓣喷嘴和带有偏转角度的六波瓣喷嘴（如图2所示）的射流卷吸特性和涡旋动力学特性。Rao[8]等第一次利用激光散射流可视化实验研究了顶环超音速喷嘴、椭圆急剧倾斜（ESTS）波瓣喷嘴和圆锥喷嘴（如图3所示）射流的三维流动结构和混合特性。随后，Rao[17]等又利用平面激光诱导荧光技术、皮托管测压技术和RANS模型对圆锥喷嘴、斜切喷嘴、锯齿形喷嘴和波瓣形喷嘴（如图4所示）的射流卷吸特性进行了实验研究和数值模拟。

1.2 数值分析

数值模拟分析即计算流体动力学(CFD)方法，具有投资小和精度易于提高等特点,且随着计算机技术的不断发展和完善，数值分析方法日趋成熟，业已成为研究流体流动的一种有效方法。

Miller[5]等应用自由仿真模型研究了圆形、椭圆形、矩形、正方形和三角形等几种不同形状的喷嘴对射流的发展和混合特性的影响。禹言芳[4]等采用RNG k-ε模型对圆形、椭圆形、正方形、十字形、三角形等5种形状的射流进行了数值模拟，通过分析不同形状的喷嘴对射流轴向速度衰减、半速度宽度等参数的影响，得到不同形状喷嘴射流的卷吸特性。此外，Xu[18]等;Gutmark[19-23]等;Li Guoneng[24]等;Miller[25]等;Zaman[26]等也对喷嘴形状不同的射流的卷吸、掺混特性进行了一系列的研究。

图1 8种不同形状的喷嘴

图2 波瓣喷嘴

图3 超音速喷嘴

图4 复杂几何喷嘴

上述研究表明，非圆形喷嘴的射流卷吸、掺混性能优于圆形喷嘴。其中三角形喷嘴、菱形喷嘴、椭圆喷嘴和波瓣喷嘴的射流均表现出较强的卷吸、掺混性能。与圆锥喷嘴射流相比，矩形喷嘴射流的卷吸率下降了7.1%，椭圆喷嘴射流的卷吸率下降了7.9%，正方形喷嘴射流的卷吸率提高了2%，十字形喷嘴射流的卷吸率提高了9.1%。此外，与圆锥超音速喷嘴射流相比，波瓣喷嘴射流的卷吸混合增长率是斜切超音速喷嘴射流的2倍。有关三角形喷嘴、菱形喷嘴和波瓣喷嘴射流的相对卷吸、掺混强度问题还需要进一步研究。

为了便于从根本上理解增强射流卷吸、掺混性能的机理，本文对产生上述现象的原因进行了归纳整理。

众所周知，在孔口面积相同的条件下，非圆形出口的周长和表面积均比圆形出口大，因而与周围流体的接触面积也比圆形出口大；其次，随着射流的扩散，非圆形射流会发生半值宽转换的现象，即随着射流的发展，短轴平面的射流扩散超过长轴平面射流的扩散；此外，射流在演变过程中会产生大尺度涡结构，这些涡结构的形成和发展与射流的卷吸、掺混作用息息相关，且这些涡结构的形成和动力学性能取决于喷嘴出口轮廓的方位角变化。其中，三角形喷嘴射流产生的涡结构最复杂，方位角变化最大，矩形喷嘴射流和椭圆喷嘴射流的方位角随轴的旋转而变化，但是矩形射流发生轴旋转的位置比椭圆射流远，圆形喷嘴射流不会发生轴旋转。因此，三角形喷嘴的射流卷吸、掺混性能最强，圆形喷嘴最弱，椭圆形喷嘴的射流卷吸、掺混性能优于矩形喷嘴射流。

对于波瓣喷嘴射流，其卷吸、掺混性能优于其他喷嘴射流，其原因有3方面：（1）射流近场域产生两个剪切层，且两个剪切层的方位角是相反的，致使喷嘴尖端产生反向旋转的流向涡，流向涡的相互作用加速射流的掺混和扩散；（2）波瓣喷嘴中会出现比较大的方位马赫数变化和强烈的三维结构；（3）波瓣喷嘴的剪应力周长比圆锥喷嘴的大。而波瓣喷嘴的偏转角度可以扩大射流边界层，保持射流喷嘴远流场域有较高的自诱导性能，致使有偏转角度的波瓣喷嘴卷吸性能增强。

2 喷嘴数目对射流卷吸、掺混性能的影响研究与分析

多孔射流是指由多个按一定方式排列的排泄口喷出的流体流入到同种或另一种流体中的运动流体。多孔射流在工程中应用也极为广泛，如废水排海排江的多孔扩散器，废热废气排放的冷却塔群、烟灶群，飞行器的推力增加器，多孔喷射燃烧等等。因此，对多喷嘴射流的研究也显得尤为重要。

Giorges[6]应用k-ε湍流模型比较分析了单喷嘴和多喷嘴射流流体在管道中的混合过程，并在测量数据的基础上，得到射流混合程度与喷嘴数目的相关性。黄君瑶[27]和芦绮玲[28-29]采用RNGk-ε紊流模型对管道出口多喷嘴射流的射流流场和消能效率进行了三维数值模拟，研究了喷嘴数目、大小和布置方式对射流消能效率的影响。龙新平等[30]采用有限体积法和Realizable k-ε湍流模型，对多喷嘴射流泵的内部流场进行了数值模拟和分析，并运用涡动力学理论对喉管内工作流体和被吸入流体的混合机理进行分析。Barik[31]应用k-ε湍流模型研究了喷嘴形状、喷嘴数量、入射流速对红外线抑制设备卷吸质量的影响。

上述研究表明，适当增加喷嘴的数量可以增强射流的卷吸、掺混性能。这主要是因为在保持射流总横截面积不变的情况下，随着喷嘴数目的增多，射流流体与周围流体的接触面积显著增加，从而使射流与环境流体发生掺混的几率增大。但是当喷嘴数目过多时，喷嘴间距减小，相邻水股之间的吸附作用增强，最终汇合成一股射流，从而使射流流体与环境流体的接触面积减小，进而削弱射流的卷吸、掺混性能。

3 喷嘴间距对射流卷吸、掺混性能的影响

多孔射流与单孔射流的最大区别就是多孔射流相邻两股流体之间存在相互吸附的效应（Coanda效应），这一效应与射流的卷吸、掺混性能息息相关，且这一效应的强弱与多孔射流的喷嘴间距有关。

张晓元[32]等采用k-ε湍流模型及混合有限分析法对均匀排列的平面多喷嘴射流混合区内的流动特性进行了一系列的数值模拟,计算了不同相对孔间距对混合区内流动特性的影响。卢晓江等[33]采用标准的k-ε湍流模型并结合压力隐式分裂算子对两喷嘴射流在不同孔间距和压力下的速度分布进行了研究，并对仿真结果进行了对比分析。肖洋[34]等应用Realizable k-ε模型，研究了喷嘴间距与喷嘴直径比值为 2，3，5，7，9 时，两喷嘴射流浓度场和速度场的变化情况，分析了射流紊动能的分布情况，揭示了射流孔间距对多孔射流掺混特性的影响规律。Moawad[35]等用实验的方法测量了射流与横流流速比值为3.5～10，喷嘴间距为8 d～16 d的多喷嘴射流的稀释程度，并对实验数据做了详尽的分析。

上述研究表明，多喷嘴射流的卷吸、掺混性能与喷嘴间距有很大关系，且随着喷嘴间距的增大，射流的卷吸、掺混性能增强。产生上述现象的原因是：随喷嘴间距的增加，各股射流之间的相互吸附作用减小，第一个射流对后面射流的遮挡作用减小，使后面的射流与周围环境有更大的接触面积。

4 矩形喷嘴宽高比对射流卷吸、掺混性能的影响研究与分析

20世纪70年代后期，由于矩形的轴旋转和半值宽转换特性，以矩形为横截面特征的二元喷嘴射流研究得到迅速发展，为了增大矩形喷嘴射流的卷吸、掺混特性，研究人员逐渐将研究重点转移到矩形喷嘴的宽高比上面，其中，宽高比是指矩形截面宽度与高度的比值。

张勃[36]等采用Couple隐式算法，RNG k-ε湍流模型，研究了宽高比分别为 1，4，8，12，16 的矩形喷嘴射流与环境流体的掺混特性,并与等截面面积的轴对称喷嘴射流进行比较。Quinn[37]等利用热线风速仪分别测量了宽高比为2和10的锐边矩形喷嘴射流的平均流速、湍动能、雷诺剪切应力等值，并在实验数据的基础上得到矩形喷嘴射流的混合强度。

研究表明，矩形喷嘴截面的宽高比对射流的卷吸、掺混性能影响很大，且随着宽高比的增大，射流的掺混性能增强。产生上述现象的原因是：在保持矩形喷嘴截面积不变的前提下，喷嘴截面宽高比越大，湿边周长越大，射流流体与环境流体的接触面积就越大，卷吸、掺混现象就越剧烈。

5 流速比对射流卷吸、掺混效应的影响研究与分析

在工程上，废水的排放和稀释，燃烧室内冷却气的引入等都是在横流条件下进行的，射流流速与横流的比值（以下简称流速比）会影响射流的发展，进而影响射流的卷吸、掺混性能。

薛晨亮等[38]利用雷诺应力模型对同流中三喷嘴热水浮射流进行了数值模拟，得到不同流速比下的速度场、温度场分布，并对结果进行了对比分析，探讨了不同流速比对各股射流之间的相互影响，最后得出三种流速比下的射流轨迹线。肖洋[39]等基于LIF技术和PIV技术对横流中多喷嘴射流的速度场和浓度场进行了详尽研究，并分析了射流与横流之间，各股射流之间的相互作用。刘辉等[40]利用实验的方法考察了釜内受限射流时均流速分布特征，并利用相似理论总结出釜式反应器内受限射流的主要流动参数的变化规律。

上述研究表明，在横流条件下，增大射流流速与横流流速的比值可以增大射流的卷吸、掺混性能。其原因是：在较低的流速比情况下，横向流动占主导地位，横向流动使射流发生弯曲，引起各股射流之间的合并，减少了射流流体与环境流体的有效接触面积；同时，由于环境与射流的相互作用，产生了高压区，这个高压区引起环境流体的部分停滞，抑制了射流卷吸环境流体的能力。而在较高的流速比条件下，射流占主导地位，横流的影响减小，从而使横流中多孔水平射流的卷吸、掺混性能增强。

6 其他方法研究

6.1 内外喷嘴相对长度

沈惠冲等[2]采用均匀结构网格和RNG k-ε湍流模型对图5中所示的单喷嘴射流、剪切式喷嘴射流(中心喷嘴与周围喷嘴等长)、中伸式喷嘴射流（中心喷嘴伸出周围喷嘴的情况）、中缩式喷嘴射流（中心喷嘴缩回周围喷嘴的情况）等4种射流情况下，被卷吸的二次诱导风量进行了仿真模拟。

图5 脉冲喷吹机构

研究结果表明，改变中心喷嘴与周围喷嘴的相对长度，可以改变相同脉冲喷吹气流流量条件下的被卷吸气体的质量流量，且在喷吹相同质量流量压缩空气的前提下，剪切式喷嘴射流可比传统的单射流卷吸更多的空气，其中中伸式喷嘴的射流卷吸量最多。产生上述现象的原因是：除传统的单喷嘴之外的其他3种喷嘴在喷吹气流的时候，中心喷嘴喷出的射流速度均大于周围喷嘴的射流速度，在高速射流流体与环境流体的接触边界附近出现湍流强度的最大值,形成大尺度剪切涡，这些大尺度涡对环境流体有强烈的吞噬夹带作用,从而使剪切喷嘴的射流卷吸率比相同条件下的单喷嘴大得多。由于中缩式喷嘴中心射流起始段被周围喷嘴管壁包围，剪切涡的发展受到限制，卷吸作用削弱，射流整体对环境周围流体的吞噬夹带作用明显降低。而中伸式喷嘴的中心射流管比较突出，且流体流速较快，这一特点增加了射流整体较大的湍流扰动强度，强化了由剪切作用产生的大尺度涡对环境流体的强烈吞噬夹带作用，因此中伸式喷嘴射流能够卷吸更多的空气。

6.2 喷嘴后缘修改

喷嘴后缘修改就是对喷嘴壁面的简单切除。

Kim等[41]采用实验的方法研究了喷嘴后缘修改对射流卷吸、掺混效应的影响，探索了流向涡的成因，并利用激光板照射技术阐明了射流混合层与涡结构的相互作用。Samimy等[42]采用光谱诊断和噪声测量设备研究了矩形喷嘴后缘修改对射流卷吸效率和噪声消减的影响。

研究发现，在非理想扩展流动区，后缘修改后的喷嘴喷出的流体卷吸、掺混性能增强。产生上述现象的原因是：喷嘴后缘被修改边的顺延展方向存在压力梯度，压力梯度的存在会产生流向涡，由于喷嘴界面的扩张，喷嘴一边产生的流向涡在一定的距离内不会与另一侧的流向涡汇合，这就使喷嘴后缘修改产生的流向涡相互独立，进而使射流流体与环境流体的有效接触面积增大，混合能力增强。

6.3 喷嘴突扩

Sau[43]对有突然扩大和突然缩小部分的矩形喷嘴射流进行了三维数值仿真，研究了流向涡结构在喷嘴突然扩大和突然缩小部分的发展和动力学性能对射流卷吸、掺混性能的影响。Iyogun等[44]采用激光多普勒测速仪对平滑圆管、圆形喷嘴、方形喷嘴、矩形喷嘴、三角形喷嘴在有无突然扩大部分两种情形下射流的卷吸和扩散情况进行了实验测量，结果表明，有突然扩大部分的喷嘴的射流卷吸能力高于没有突然扩大部分的喷嘴，而且这种现象在非轴对称喷嘴射流中比较明显。

7 总结和展望

综上所述，改变射流的喷嘴形状，喷嘴数目，喷嘴间距，矩形喷嘴截面的宽高比和射流流速均可以增强射流的卷吸、掺混性能。

由研究者的研究成果可知，射流的卷吸、掺混效应跟大尺度涡结构的形成有关。而大尺度涡结构的形成和动力学特征主要取决于射流出口轮廓曲率方位角的变化，不同形状喷嘴的出口轮廓不同，射流方位角变化也就不同。例如：圆形喷嘴射流属于轴对称射流，不会发生方位角变化；非圆喷嘴射流一般都会发生方位角变化，其中三角形喷嘴射流方位角变化最大；椭圆喷嘴射流发生方位角变化的位置距离射流出口比矩形射流近。

射流的卷吸、掺混性能不仅与大尺度涡结构的形成有关，还与入射流体与环境流体的接触面积有关，接触面积增大，卷吸、掺混性能就会增强。增加喷嘴数目，增大喷嘴孔间距和矩形喷嘴的宽高比都可以增加射流的接触面积。

先前研究人员对射流卷吸、掺混性能的研究主要有实验测量和数值分析两种方式。RNG k-ε湍流模型是数值分析中最常用的模型，其最大的特点在于：方程中的常数是用理论推导出来的，并非用实验的方式得到；对紊流粘性系数进行了修正，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况；在耗散方程中的系数体现了平均应变率对耗散项的影响。因此该模型能较好地模拟高速射流各向异性，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[45]。对射流卷吸、掺混问题的研究所用的实验方法主要有测速管测量法、热膜热线测速法、激光多普勒测速法、激光诱导荧光技术和粒子图像测速法等。其中，测速管测量法简单、方便、成本低、易于掌控，但是动态性能差，精度不高，工作量大；热膜热线测量法分辨率高、测速范围大、对流体干扰小，但是设备寿命短；激光多普勒测速仪测量精度高，动态响应快，但对瞬态响应不敏感，且是单点测量，工作量较大；激光诱导荧光技术既可以定性揭示流动的内部结构，也可以用于浓度场、温度场、压力场等参数的定量测量，但是它的荧光物质大多具有一定的毒性，而且在进行定量处理时只能通过标定曲线来完成，限制了测量精度；粒子图像测速法克服了流场测试中单点测量的局限性，能进行二维和三维瞬时速度测量，可以在同一时刻记录下整个测量平面的信息，且对流场不会形成干扰[3]。

虽然研究人员对增强射流卷吸、掺混性能的研究已经取得很大进展，但是仍存在一些尚未解决的问题。

第一，对增强射流卷吸、掺混性能这一问题的研究大都是在无边界限制的空间中进行的，也就是说不考虑固体边界对射流的影响，而对于固体边界会不会影响射流的发展和流动特性以及对射流发展有什么影响等问题尚不是很明确。

第二，研究人员对射流卷吸、掺混特性和流动特性等物理层面的研究相对较多，而对相互溶解的浓度或密度不同的液相射流在发展过程中发生的分子扩散、能量释放和热量传递等化学方面的研究相对较少。

第三，研究人员对多喷嘴射流的研究大都是采用数值分析的方法进行的，而数值分析方法不能十分精确地模拟出各股射流之间以及射流与环境之间的相互影响。

基于上述问题,今后对射流卷吸、掺混性能的研究应注重以下几个方面:

（1）加强对受限射流（有边界限制的射流流动）的研究，射流泵、喷射器、燃烧器以及管式增压器等输送及混合反应设备中的流动均可概述为受限射流。对受限射流的研究可以从边界尺寸和边界样式对射流发展和流动特性的影响两个方面入手。

（2）运用物理化学知识研究射流发展过程中的发生的输移扩散、热量传递和自由能变化对射流发展的影响。

（3）运用粒子图像测速仪等先进设备对比较复杂的射流进行研究，综合考虑地形、温度、横流等外部因素对射流流动特性的影响。

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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

梁兰健（1991-），男，硕士，主要研究方向为海洋机电装备与仪器等的研究。E-mail:1256885688@qq.com