王勇，赵永俊，丁文浩，徐世凯，赵金箫

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 10098；3.水利部太湖流域水治理重点实验室，江苏 南京 210029；4.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

在工业排污、火（核）电厂冷却水及生活污水排放中，经常会遇到射流排放流体与受纳水体存在密度差的异重射流。异重射流中最常见的就是电厂冷却水排放中的浮射流问题。近年来，对静止环境中和同向流动条件下的射流进行了较为系统的试验测量，对其流动规律建立了较好的理解。然而，对于更加复杂、更加具有实际意义的横向流动条件下的浮射流，由于存在着浮射流与横向流动之间的相互作用，导致其流动现象更为复杂。因此，系统、全面地研究横向流动条件下水平浮射流的三维流动规律具有重大的理论和实际意义[1，2]。

1 物理模型试验系统

在温排水和排污工程中，当温水或污水侧面水平排入密度较大的环境水体时，就出现了横向流动下的水平浮射流。根据已有的研究，横向流动条件下的水平浮射流可近似地分为近区、弯曲段和随流扩散段[3，4]。

在射流近区，射流的初始动量对射流特性影响较大，射流的轨迹在横流的影响下略有弯曲。在射流弯曲段，射流速度逐渐降低，射流与横流速度相近，横流对射流特性的影响逐渐增强。在随流扩散段，射流在横流作用下完全弯曲，流动方向基本与横流方向一致。但是，从一个区域向另一个区域的过渡是逐渐的，不是截然区分的，因而对于不同区的范围，没有一个唯一的标准[5-7]。横向流动条件下水平浮射流流动分区见图1。

图1 横向流动条件下水平浮射流流动分区示意图

文中建立了横向流动条件下水平浮射流试验水槽，对坐标系统的规定：x——沿水流方向即水槽的纵向（环境水体方向为正），沿水流方向为正；z——垂向，向上为正；y——沿水槽的横向，排水口射流方向为正；排水口中心为坐标原点。试验系统坐标见图2。

图2 试验系统坐标

文中利用PLIF 技术研究了横向流动条件下水平浮射流的混合特性。PLIF 技术原理：每种物质分子都有其电子能级，当吸收特征频率的光子后，可由基态跃迁至不同能级的激发态，而处于激发态的分子是不稳定的，通过辐射跃迁和非辐射跃迁等分子内的去活化过程释放多余的能量而返回基态。在辐射跃迁的去活化过程中，产生光子的发射，并伴随着荧光现象。由于激发和发射之间存在一定的能量损失，产生荧光的波长总是大于激发光的波长，这就为分离激光和荧光提供了可能。荧光产生的外部条件需要理想的激光光源，因为激光光源具有方向性好、能量高度集中、光子通量大和单色性好等许多优点[8-10]。

2 物理模型试验成果分析

针对不同的水流条件和不同位置共进行了5组试验，其中排水口直径D= 0.8 cm，排水口中心距离水槽底部20.0 cm，水深为24.0 cm。试验工况见表1。

表1 试验工况

本文利用PLIF 技术，对横向流动条件下水平浮射流在不同位置竖直截面的温升场进行了试验，对比了竖直截面相同流速比和不同流速比的温升分布。通过研究不同流速比、不同位置的温升分布来阐明横流中水平浮射流的混合特性。试验中的环境水温为17.5 ℃、射流出口水温为37.5 ℃。图3为不同流速比、不同位置的温升场竖直截面图。

从图3中可以看出，在y=4.0 cm 的射流竖直截面上，当出口流速比R分别为13.2，9.5，7.4 时，射流的时均温升场竖直截面形状分别对应肾形、马蹄形结构的雏形、充分发展的马蹄形结构。在y= 6.0 cm 的射流竖直截面上，当出口流速比R=13.2 时，射流的时均温升场形状已经为马蹄形结构；当出口流速比R= 9.5 时，射流的时均温升场刚分成了两股，但是马蹄形结构后的“两翅”还不够明显；当出口流速比R=7.4 时，射流时均温升场马蹄形结构的后“两翅”被拉得较长，流动明显分为两股，形成分叉现象。在y= 8.0 cm 的各工况射流竖直截面上，马蹄形结构都已经消失。说明横向流动条件下水平浮射流的时均温升场形状随着流速比的变小，经历了从肾形到马蹄形结构，再到出现分叉现象，最后马蹄形结构消失的过程。

图3 不同流速比不同位置的温升场竖直截面图

横向流动条件下，水平浮射流时均温升场的肾形和马蹄形结构主要是横流和水平射流共同作用的产物。如图4所示，射流主区域附近存在一个类似圆柱绕流的流动，当射流与横流相遇后，在射流的迎流面正中附近区域，出现横流流速趋近于零的点（驻点），在迎流面上下两侧横流发生分离，并加速从射流两侧流过，这样水平射流上下两侧就形成一对对称的绕流。此时，在射流和横流的交界面上存在着较大的速度差和较强的剪切作用，正是由于这种剪切作用，在水平射流上下两侧出现了一对反向涡，促使了水平射流肾形和马蹄形结构的形成，进而形成了温升场的分布形状。

图4 水平浮射流上下两侧的一对反向涡

水平浮射流时均温升场形状的发展主要受到横流和水平射流的共同作用。当出口流速比较大时，射流的初始动量对射流特性影响较大。射流的特性与静水中射流相似，射流的轨迹在横流的影响下略有弯曲，射流的时均温升场竖直截面形状为肾形。随着流速比的变小，横流对射流特性的影响逐渐增强，产生的剪切作用也相应增强。射流的时均温升场截面形状逐渐发展为马蹄形结构，并且出现马蹄形结构后的“两翅”。随着射流的进一步发展，横流的作用逐渐占主导地位，马蹄形结构的“两翅”逐渐被横流拉伸、变长，两分叉由于相互的掺混作用逐渐合二为一，并趋于均匀化，马蹄形结构逐渐消失。射流流动方向与横流方向趋于一致，并最终与横流完全掺混。对比相同出口流速比条件下射流在不同截面上的时均温升场形状，同样可见，随着y值的增加、流速比的变小，射流经历了从肾形到马蹄形结构再到出现分叉，最后马蹄形结构消失的过程。

3 结语

横流中水平浮射流温度场垂直剖面经历了一个从肾形结构到马蹄形结构再到分叉，最后两个分叉相互混合的过程，其中射流速度比是最重要的影响因素。PLIF 技术在环境水力学及水工水力学物理模型试验研究中的应用前景较广，可以在众多科研项目中发挥重要的作用，对于提高水力学模型试验的研究水平有较大的意义。