根据计算流体动力学和数值传热学理论建立了考虑浮力作用的多孔热水水平排放的数学模型,采用有限体积法来离散求解多孔热水排放的三维数学模型,对多孔热水流动轨迹的温度分布特性进行了数值计算与分析,得到了多孔热水轨迹的温度分布,分析了热水孔个数和相对孔间距对热水轨迹温度分布的影响。对计算结果的分析表明,热水排放总量和排放温度保持不变、相同出口流速条件下,热水单孔排放和减小相对孔间距有利于加快热水轨迹的热扩散,能够更好地减弱热排放对环境的热污染。 According to the theory of computational fluid dynamics and numerical heat transfer, the mathematics model of multi-hole horizontal heated water discharge is established and solved with numerical analysis by finite volume method. The temperature distribution of multi-hole heated water path is calculated and obtained with numerical methods. The effect of number of holes and relative hole spacing on the temperature distribution of heated water path are analyzed. Results indicate that under the same heated water discharge, the same discharge temperature, and the same hole velocity, one-hole discharge or reducing hole spacing will enhance the thermal diffusion of heated water path, and can decrease thermal pollution on the environment effectively.
来自工业、农业和生活中的废弃流体,不论是排入水域还是排入大气,通常是以射流的形式排放到环境当中。热污染问题是环境污染研究的重要内容之一,如热、核电厂冷却水和城市废水的近海排放,烟囱、冷却塔等排入大气中的烟尘、废热,船舶废水排入水域等,都有大量的射流问题。
随着紊流理论、数值计算以及计算机技术的飞速发展,经过众多学者的不断努力,浮力射流特性的研究取得了很大进展。Larsen等[
综上所述,到目前为止国内外对横流中的圆形射流、同轴浮力射流和静止环境中的水平圆形浮力射流等进行了深入的研究,但还没有对横流中多孔热扩散器排放热污水的热扩散特性进行数值模拟研究的报道。为了具体分析多孔热扩散器排放热污水的热扩散特性,本文在总结前人对浮力射流研究的基础上,采用SIMPLEC算法对横流中多孔热水排放的温度分布进行了数值模拟,分析了热水多孔排放形成的热轨迹温度分布特性,为减弱热污水排放对环境的热污染提供了一定的理论依据,对环境保护与环境质量评估也具有一定的参考价值。
横流环境中的浮力射流存在复杂的随机脉动流动现象。假设三维热水排放到无限水域,热水排放为定常充分发展的湍流,环境流体为不可压缩流体,流体密度仅随温度变化,根据流体运动的基本控制方程和数值传热学理论,采用Realizable k-ε湍流模型如下:
湍流动能k:
(1)
湍动能耗散率ε输运方程:
(2)
式中:r是流体密度,分别是x、y、z方向的速度分量,p是静压,m是粘性系数,k是热传导系数;cp是定压比热;T是流体温度,gi是重力加速度分量。,,S为平均应变率;湍动能产生项:,;、为湍流速度脉动值,为湍流粘性系数,表示平均速度梯度引起的湍动能产生,是用于浮力影响引起的湍动能产生。是能量的湍流普朗特数,为热膨胀系数。和是常数;、分别是湍动能及其耗散率的湍流普朗特数。浮力对耗散率影响是用来体现,,v是平行于重力方向的速度分量,u是垂直于重力方向的速度分量。
运用FLUENT软件采用SIMPLEC算法求解Navier-stokes控制方程,采用二阶迎风格式,考虑重力影响,其中能量方程收敛到,其余各方程的精度均达到,在FLUENT中,对于Realizable k-ε模型,默认设置值为0.85,作为默认值常数,,,,。
计算模型如图1所示,x为横流流动方向,y为水域深度方向,z为水域宽度方向。排放孔水深为H,横流流体温度为T0,横流流速为u0,排放孔流速为wj,方向为z轴正方向,温度为Tj。以横流流速u0为特征流速,横流流体温度T0为特征温度,坐标原点位于排放孔中心位置。计算区域为一个长方体区域,其中横向宽度为800 mm,定义为z方向;深度为400 mm,定义为y方向;长度为4000 mm,定义为x方向。圆孔排放孔直径D = 10 mm,左侧孔中心坐标(0,0,0),距水面深度为200 mm,距来流入口400 mm,排放孔出口位于计算区域的中心垂直截面上。排放方向沿z轴正方向,横流方向沿x轴正方向。
图1. 横流中三维热水排放示意图
热水排放总量保持不变,排放温度保持不变,选取热水排放孔个数分别为1个、2个和3个,孔截面形状为圆形,排放孔直径为D,两相邻孔中心之间的距离为s,相对孔间距为s/D。热水排放孔布置示意图如图2所示。
热水孔截面网格采用triangular单元,圆形截面生成50个网格单元;计算区域网格划分采用tetrahedron网格结构,共生成约255万个tetrahedral cells计算网格单元。这样几种热水排放孔方案生成的计算区域体网格单元数量基本相同,且计算区域内网格密度分布比较接近。对计算网格的独立性进行了检验,但计算网格的数量超过250万个时,再继续增加网格密度,计算结果基本不再变化。
边界条件:
u0、v0、w0为计算区域入口边界的来流速度分量,T0为计算区域入口边界的温度,u、v、w为计算区域流场内某一点的流速分量,T为计算区域内流体的温度。
• 进口边界:热水孔边界,;来流边界;
• 壁面边界:假定在壁面处无滑移,在近壁区采用标准的壁面函数法;
• 出口边界:在处,。
取计算区域横流速度u0 = 0.1 m/s,横流温度T0 = 285 K,热水排放孔温度Tj = 305 K,热水排放总流量相同,热水排放孔流速相同,wj = 1 m/s;1个排放孔时,孔直径D = 10 mm;2个排放孔时,孔直径;3个排放孔时,孔直径。定义无量纲温差。采用数值计算方法对以上工况进行模拟计算,并对多孔热水排放形成的热轨迹的温度分布特性进行分析。
相同孔流速条件下,热水多孔排放形成的热轨迹中心最大无量纲温差沿x轴分布曲线如图3所示,时,单孔排放形成的热轨迹中心无量纲温差θ = 0.084,2个孔,孔间距分别为、10、15,对应的无量纲温差分别为θ = 0.097、0.123、0.167,3个孔,孔间距为对应的无量纲温差为θ = 0.111;相对孔间距较大时,近排放孔区域热轨迹温度较大;在区域,即近热水排放出口区域,单孔排放形成的热轨迹中心最大无量纲温差较小,排放孔个数越多,热水轨迹中心无量纲温差越大,相对孔间距越大,热轨迹中心无量纲温差越大;在区域,即在远离排放孔区域,排放孔个数和相对孔间距的大小对热轨迹中心最大无量纲温差的影响很小。因此,在区域,即近热水排放出口区域,单孔排放热水或减小相对空间距,排放热水形成的热轨迹中心温度较低,对流动环境的热污染较弱。
图4为相同孔流速条件下,热水多孔排放形成的热轨迹沿x轴方向、不同y-z截面上的温度分布,在近排放孔区域,多孔排放形成的热轨迹的高温区域较大,且温度较高。由图4(a)、(c)可知,在区域,热水单孔和2个孔()排放形成的热轨迹的热影响区域偏上,浮升速度较快;由图4(b)、(d)、(e)可知,2个孔(s/D = 15或s/D = 15)或3个孔排放热水形成的热轨迹的热影响区域偏下,浮升速度较慢。虽然在靠近排放孔区域,多孔排放热水形成的热轨迹中心温度较高,但沿x轴方向温度下降速度较快,热轨迹浮升较慢。多孔排放初期热水出口比较分散,但沿横流流动方向发展,多孔排放的热水又逐渐聚集在一
图2. 热水排放孔布置示意图:(a) 1个孔;(b) 2个孔;(c) 3个孔
图3. 热轨迹最大无量纲温差沿x轴的变化
图4. 不同y-z截面上的温度分布:(a) 1个孔;(b) 2个孔,S/D = 5;(c) 2个孔,S/D = 10;(d) 2个孔,S/D = 15;(e) 3个孔,S/D = 5
图5. 不同孔直径条件下,热尾流最大无量纲温差沿x轴的变化:(a) 2个孔,s/D = 5;(b) 2个孔,s/D = 10;(c) 2个孔,s/D = 15;(d) 3个孔,s/D = 5
起,热水轨迹在宽度和深度方向上的热扩散速度比单孔排放要慢,多孔排放热轨迹温度较高,这是由于孔流速相同,多孔排放时,每个孔的直径较小,每个孔的排放流量较小,每个孔排放的热水对横流环境宽度和深度方向上的扰动较小,热扩散较弱。因此,单孔排放形成的热轨迹热扩散较快,热轨迹高温区域较小,能够减弱热排放对环境的热污染。
图5为总排量相同和不同孔间距条件下,不同孔直径热水排放形成的热轨迹最大无量纲温差沿x轴的变化。由图5可知,总排量相同,多孔排放热水,孔直径减小,孔流速增大,热轨迹中心温度减小;这是由于孔直径减小,流速增大,对横流环境的扰动增强,加快了热水轨迹的热扩散。因此,保持热水排放总量不变,减小孔直径,能够加快排放到横流中的热水轨迹的扩散,有利于减弱热排放对环境的热污染。
在区域,即近热水排放出口区域,单孔排放热水或减小相对空间距,排放热水形成的热轨迹中心温度较低,能够减弱对环境的热污染;在区域,即在远离排放孔区域,排放孔个数和相对孔间距的大小对热轨迹中心最大无量纲温差的影响很小。
靠近排放孔区域,多孔排放热水形成的热轨迹中心温度较高,沿x轴方向发展温度下降较快;多孔排放初期热水出口比较分散,沿横流流动方向发展,多孔排放的热水又逐渐聚集在一起,热水轨迹在宽度和深度方向上的热扩散比单孔排放慢,多孔排放热轨迹温度较高。
保持热水排放总量不变,减小孔直径,能够加快排放到横流中的热水轨迹的热扩散,有利于减弱热排放对环境的热污染。
今后还可以研究在孔直径保持不变的条件下,热水多孔排放,不同孔直径和不同孔间距对环境热污染的影响。
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