倾斜射流在波动水流环境中的混合行为

《Ocean Engineering》：Mixing behavior for inclined jets in wavy current environments

　　本研究通过量纲分析与积分模型，探讨0-90°斜射流在波浪环境中的混合行为，发现浓度分布随倾角增加显著变化，特别是在稀释至原浓度的2%时。提出两个半经验公式量化波流共同作用下的最小稀释与可见扩散面积，并通过人工场实验验证。结果表明，60°和90°在不同波浪条件下为最优倾角，对海洋排污系统设计具有指导意义。

　　在沿海城市快速发展和经济增长的背景下，污水排放量不断增加。这种排放如果缺乏有效的管理，可能会对周边海洋生态系统造成严重危害。因此，研究污水排放的混合行为，尤其是通过倾斜喷流（0–90°）进行的排放，对于提升污染物的快速稀释效果和优化排放口设计具有重要意义。倾斜喷流的混合行为与垂直和水平喷流有所不同，这种差异强调了对倾斜喷流进行专门研究的必要性。

倾斜喷流的排放路径和混合特性受到多种因素的影响，包括喷流的角度、水流的波动情况以及喷流本身的物理特性。近年来，关于垂直喷流的研究已经取得了一定进展，许多学者通过实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，探讨了其在不同水流条件下的混合行为。例如，Lai et al. (2019) 研究了浮力喷流在均匀和各向同性湍流环境中的混合特性，发现喷流的混合行为受到多个无量纲参数的影响，并提出了一个积分模型来描述混合过程，其预测结果与实验数据高度吻合。类似地，Shrivastava et al. (2022) 提出了一种简单的机械积分模型，用于预测单向扩散器在横向流中的稀释和轨迹，其模型预测结果与实验观测一致。Fang et al. (2019b) 开发了一个改进的积分模型，用于模拟非浮力喷流在波浪环境中的混合行为，考虑了波浪作用对喷流潜在核心缩短的影响。Fang et al. (2024) 则进一步研究了浮力喷流在波浪横向流环境中的混合行为，并提出了三个半经验公式，用于量化波浪和浮力对喷流混合行为的影响。

对于水平喷流，Chen et al. (2021) 进行了实验研究，探讨了水平温浮力喷流在分层环境中的表面效应，并提出了一个预测方程。Chu et al. (1999) 通过实验测量了轴对称湍流喷流在共流环境中的标量浓度和速度场，并提出了一个基于拉格朗日喷流扩散假设的积分模型，用于湍流闭合。该模型的预测结果与实验数据高度一致。Homayounfar et al. (2024) 实验研究了湍流共流对双涡圆喷流动态的影响，发现随着共流湍流强度的增加，双喷流对称轴上的纵向积分长度尺度减小。Anghan et al. (2022) 对波浪环境中的喷流基本特性进行了综述，指出水平喷流在波浪作用下比自由喷流更宽。特别是在规则波的作用下，水平喷流的稀释效果低于垂直喷流。

倾斜喷流在静止和流动环境中的混合行为也引起了研究者的关注。Abessi 和 Roberts (2015, 2017) 通过实验室实验研究了单个密集喷流在不同倾斜角度（15°–85°）下的稀释特性，发现近场稀释对喷嘴方向更为敏感，并在60°时达到峰值，这一结果与广泛接受的设计实践一致。Habibi et al. (2022) 建议，无论床面倾斜情况如何，60°的喷嘴角度优于30°或45°。Hosseini et al. (2023) 指出，从单喷流实验中推导出的公式可能不适用于多口扩散器的设计，并强调在设计过程中应考虑喷流的特定特性，如角度变化。Roberts 和 Toms (1987) 是最早研究60°倾斜密集喷流在不同速度横向流中的混合行为的学者之一，他们发现，在横向流条件下，稀释效果高于其他情况。Abessi 和 Roberts (2017) 进一步指出，随着流速的增加，60°倾斜密集喷流的落点会向下游移动，升高的高度降低，但稀释效果增强。Jiang et al. (2017) 实验研究了60°倾斜密集喷流在无界共流和逆流中的混合行为，发现其混合行为可以分为密集喷流主导和水流主导两种模式。Taherian et al. (2024) 考察了不同喷流角度和横向流弗劳德数对混合行为的影响，并提出了描述喷流稀释和几何特性的经验公式。他们的研究结果表明，60°的喷流在稀释效果上比30°和45°的喷流分别高出50%和20%，这是由于其更长的轨迹和更大的横向扩展。

尽管已有大量研究关注倾斜喷流的混合行为，但在波浪水流环境中的研究仍较为有限。倾斜喷流的排放角度与波浪运动之间的相互作用，对污染物的扩散和稀释具有重要影响。因此，深入研究倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为，不仅有助于理解其混合机制，还能为排放口设计提供科学依据，提高海洋排放系统的环保效果。本研究采用积分模型和维度分析相结合的方法，探讨了倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为，分析了排放角度对混合过程的影响，并提出了相关的预测公式。考虑到倾斜浮力喷流的复杂性，本研究主要关注非浮力喷流，为未来研究倾斜浮力喷流提供了参考基础。

本研究的主要目标是系统分析倾斜非浮力喷流在波浪水流环境中的混合行为，探讨排放角度的影响，并建立预测关键混合参数的公式。研究的创新点在于，专注于研究倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为，这一研究方向在之前关于垂直、水平喷流或倾斜喷流在静止或单一水流环境中的研究中较少涉及。此外，本研究提出了新的半经验公式，用于量化波浪运动和排放角度对喷流横截面最小稀释和可见扩散区域的协同影响，并将这些行为直接与倾斜喷流的特征长度尺度相关联。

研究采用的积分模型是基于Fang et al. (2023) 提出的通用模型，该模型已被验证具有较高的准确性。通过该模型，研究人员对倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为进行了数值模拟，共涵盖了135个案例，涉及五个不同的排放角度（0°、30°、45°、60°、90°）。模拟结果表明，随着排放角度的增加，倾斜喷流的浓度分布发生显著变化，特别是在喷流污染物稀释至原始浓度的2%时，这种变化尤为明显。研究还发现，排放角度的选择对混合效果具有重要影响，最佳排放角度取决于波浪弗劳德数的大小。当波浪弗劳德数（R_wa）小于或等于0.34时，最佳排放角度为60°；而当波浪弗劳德数大于或等于0.36时，最佳排放角度则为90°。

此外，研究还探讨了波浪运动对喷流混合行为的具体影响。在波浪水流条件下，喷流的混合过程受到波浪周期和振幅的显著影响。高波浪周期和振幅会导致喷流稀释效果降低，这可能与波浪对喷流轨迹的扰动和能量分布的变化有关。同时，波浪运动还会引起喷流在源点附近的波动，这种波动有助于提高喷流的混合效果和稀释能力，使污染物在喷流与海水的混合过程中更快扩散。在波浪活动期间，污染物的扩散速度加快，喷流的宽度和几何形态也发生了显著变化。

研究还分析了不同排放角度对喷流扩散区域的影响。结果显示，60°的倾斜喷流在稀释效果和扩散区域方面均优于其他角度，这与其较长的轨迹和更大的横向扩展有关。相比之下，30°和45°的倾斜喷流在稀释效果和扩散区域方面相对较弱。这些结果为海洋排放系统的设计提供了重要的参考依据，特别是在需要最大化污染物稀释和扩散效果的场景下。研究还验证了所提出的半经验和积分模型在实际案例中的适用性，表明这些模型能够准确预测倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为。

本研究的成果不仅拓展了对倾斜喷流混合行为的理解，还为海洋排放系统的优化设计提供了新的思路。通过分析倾斜喷流在波浪水流环境中的混合特性，研究人员能够更好地评估不同排放角度对污染物稀释效果的影响，从而选择最优的排放方案。此外，研究提出的半经验公式能够帮助工程师更精确地预测喷流的混合行为，提高排放系统的效率和环保性能。这些研究成果对于沿海城市在发展过程中如何合理设计和管理污水排放系统具有重要的指导意义。

综上所述，本研究通过综合应用积分模型和维度分析，系统探讨了倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为，分析了排放角度对混合效果的影响，并提出了相关的预测公式。研究结果表明，60°和90°的倾斜喷流在特定的波浪弗劳德数条件下表现出最佳的稀释效果。这些发现不仅有助于优化海洋排放系统的排放角度设计，还为提高污染物的稀释效率和减少对海洋生态系统的负面影响提供了科学依据。研究的创新点在于，聚焦于倾斜喷流在波浪水流环境中的混合行为，这在以往的研究中较少涉及。此外，研究提出的半经验公式能够量化波浪运动和排放角度对喷流混合行为的协同影响，为未来相关研究提供了新的方法和理论支持。