水下平面射流振翅运动与频率锁定现象的机理研究

The self-induced flapping motion of plane jet in shallow water is a new flow pattern. Meanwhile, there exists frequency lock-in phenomenon between the flapping jet and the surface wave. Previous findings on flapping motion and frequency lock-in phenomenon were mainly based on experiments and lacked detailed characterizations of the complex flow. In the current proposal, a numerical wave tank is firstly set up including a numerical solver based on Navier-Stokes equation, an interface capturing module, a wave maker module and a wave absorber module. The different flow characteristics between classic coherent structure flow pattern and the flapping motion flow pattern will be investigated to better understand the efficient mixing characteristics and the mechanism of the flapping motion. Meanwhile, the effect of water wave at different frequencies on the flapping jet is also studied to reveal the mechanism of the frequency lock-in phenomenon. The results will be useful for the engineering applications of the efficient mixing technique and the active control technique of the flapping jet on the waves.

水下平面射流自激振翅运动(Self-induced flapping motion)是一种新发现的水下射流流动模式，并且存在振翅运动与表面波相互作用的频率锁定现象（Frequency lock-in phenomenon）。目前，关于射流振翅运动与频率锁定现象的研究以实验为主，缺少对流动细节的细致刻画以及对流动机理的分析。本项目建立包含N-S方程数值求解、自由表面追踪、造波和消波等模块的数值波浪水池，对比研究经典的拟序结构与振翅运动这两种流动模式下流场的流动特征，揭示振翅运动模式下射流的混合特性，探讨振翅运动的物理机理，为新型高效混合技术的工程应用及推广提供技术支撑。同时，研究不同频率表面波对振翅运动流场影响的变化规律，揭示发生频率锁定现象的机理，为射流对波的主动控制提供理论依据。

振翅运动是射流的一种特殊运动现象，具有高度复杂的运动机理。本项目对于探索平面射流不稳定性和振翅冲击等流动现象及机理具有重要的理论意义和工程应用价值。.项目研究过程中，通过理论和数值手段分别对冲击自由水面的平面射流、热浮力作用下的平面射流以及双股平行平面射流进行了详细研究。研究表明，水下冲击射流可分为“稳定冲击”和“振翅冲击”两种流态。与稳定冲击流态相比，振翅冲击流态下射流的中心轴线速度衰减加快、卷吸效果明显加强，这将有利于流体的相互掺混。在振翅冲击流态中，流场内复杂的旋涡/自由水面、旋涡/射流剪切层以及旋涡/旋涡相互作用，导致射流近场湍流振荡增强、射流剪切层动量厚度增大。另一方面，热浮力没有改变振翅运动发生的规律；而一定射流间距下的平行射流具有抑制振翅运动发生的作用。该研究成果可为振翅运动高效混合效果的工程应用建立理论基础和研究平台，为环境污染控制提供一种可供选择的方法。.其次，在当前研究平台上，对无限空间内和受限空间内（由壁射流和偏置射流组成）的低雷诺数双股平行平面射流进行了详细研究。研究表明，这两种平行射流内部都存在两种流态，即汇聚区内存在反方向旋转涡旋的稳定流态和射流近区存在周期性振荡的涡脱落流态。周期性振荡的涡脱落流态的存在，使得汇聚区内相邻的两个内部剪切层之间相互作用变强，动量交换加剧，增强了流体之间的混合。该研究成果可为平行射流的流动控制提供依据。