1.3 本书主要研究工作

1.3.1 关键技术问题

基于对前人研究成果的综合分析，潮流环境下垂直浮射流研究的关键技术问题主要有以下四个方面。

（1）天然海湾、河口中水流的运动除了受潮汐作用外，还受到岸线、地形、风浪、气候等复杂因素的影响，潮周不具有重复性。浮射流排入环境海域后，其运动过程受到自身初始动量、浮力以及千变万化的外界条件影响。为研究潮流环境下浮射流的基本规律，必须把握潮汐水域浮射流特征，合理设计模型。

（2）测量仪器是开展射流实验研究的基础。潮流环境下的浮射流实验研究离不开流场与浓度场的同步测量。传统的单点接触式测量手段不能适应。现行非接触式的商用PIV-PLIF同步测量仪器采集频率低、测试区域小、采样容量有限，仍难以满足实验需求，而且所匹配的荧光物质毒性较大。因此，研发合适的大范围、高帧频PIV-PLIF同步测量系统是潮流环境下浮射流实验研究必须解决的问题。

（3）紊流模型选取与边界处理问题。潮流中浮射流的紊流模拟具有较大难度，主要体现在两个方面：①射流的原动力除了初始动量又增加了浮力，紊流模型不仅需要比较准确地反映浮力效应，而且能够较好模拟射流在潮流作用下的旋转、弯曲。因此，必须选择合适的紊流模型。②环境水流自由面随潮上下起伏、流速与流向随潮变化，进出口边界条件交替出现，不仅给边界条件的处理带来困难，而且对计算的稳定性、收敛性提出更高要求。

（4）潮流环境下浮射流掺混稀释计算公式的提炼。潮流条件下浮射流的运动非常复杂，潮流的水位、流速、流向以及加速度均在变化，射流与潮流的相互关系也时刻改变，如何归纳总结出具有工程实用意义的计算公式是难题之一。

1.3.2 主要研究工作

本书在充分调研与分析文献资料基础上，采用实验研究与数值模拟相结合的方法深入研究了潮流环境下垂直浮射流的演变过程与掺混稀释规律，探讨了浮射流的紊动扩散特性。主要研究工作简述如下。

（1）研发大范围、高帧频PIV-PLIF流场与浓度场同步测量系统。该测量系统首次采用鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜组合扩展蓝色激光束，解决了光强分布比较均匀的大面积矩形片光生成的问题。采用基于网络传输协议控制图像采集卡同步触发两台高速工业相机进行图像采集的方法，实现了流场与浓度场的同步、高频测量。首次提出适用于大面积矩形平行光特点的浓度场校正方法，解决了光强分布不均对浓度场测量结果的影响问题。该系统片光宽度为40cm、在分辨率2048×2048像素下的最大采集帧频可达180Hz、可以700M/s的速度连续存储8TB的海量图像数据。与同类测试仪器设备相比，具有测量面积大、采集频率高、数据传输快、存储能力强的特点，可用于潮流中射流流场与浓度场的同步测量。

（2）潮流紊动特性实验研究。结合天然海湾潮流的主要特点设计了实验潮型。采用变频潮汐自动模拟系统在水槽中生成水位、流速周期变化的往复潮流，保证了潮流模拟的精度。采用ADV超声波流速仪以100Hz采样频率连续采集三维瞬时流速；按照移动平均法及最小二乘原理计算时均流速过程，以此为基础分析了水流脉动速度、紊动强度、雷诺应力的随潮变化规律，并通过离散傅里叶变换分析了潮流脉动流速的紊动能谱。

（3）潮流环境下垂直浮射流实验研究。结合天然水体潮流与浮射流的主要特点，设计了潮流环境中垂直浮射流的概化模型。采用研发的大范围、高帧频PIV-PLIF同步测量系统连续、同步、高频采集完整潮周过程中射流纵轴面的瞬时流场与浓度场，揭示了浮射流的湍流结构及随潮扩散规律。结合量纲分析总结了潮流往复运动过程中射流边界、射流轴线轨迹、轴线稀释度变化规律以及射流轴线的垂线浓度分布，提出射流轴线与轴线稀释度的计算公式，并从脉动浓度分布、脉动流场以及浓度脉动通量方面初步探讨了潮流作用下浮射流的紊动扩散特性。

（4）潮流环境下垂直浮射流数值模拟研究。为弥补实验研究测量断面有限、测量区域相对较小、无法揭示射流三维结构的局限性，采用适合浮射流模拟的Realizable k-ε紊流模型针对包括射流喷口在内的整个实验水槽进行了模拟计算。在与实验成果对比分析基础上，进一步研究了整个射流空间的涡流结构、浓度分布、分叉现象、射流轨迹，提出潮流作用下浮射流轴线与轴线稀释度的计算公式。数值模拟研究成果与实验研究成果互为补充，系统深入地揭示了潮流环境下垂直浮射流的随潮演变过程和掺混稀释规律。