层流圆管潜射流生成蘑菇形涡结构特性数值研究*

陈云祥 陈科 尤云祥 胡天群

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

(2012年12月17日收到;2013年2月18日收到修改稿)

1 引言

在海洋遥感卫星图像上经常会观测到海面上存在一类形似蘑菇状的特殊流动结构[1].研究表明，这种特殊流动结构实际上是一类大尺度相干涡结构在海洋卫星遥感渭像中的影像，而且源于海洋中的某种动量源效应[2,3].潜艇推进器和冷却水排放的力学效应相当于有动量传递给周围流体，形成射流动量尾迹[4].在海洋背景流体作用下射流动量会形成一种类似蘑菇状的大尺度相干涡结构，称为蘑菇形结构(mushroom-like pattern).这类结构的水平尺度可达1—200 km，垂向尺度可达10—100 m，衰减所需时间可以达到1—30 d，在海洋卫星遥感渭像中的影像为一对旋转方向相反的偶极子对[1].因此，针对射流动量在背景流体作用下产生蘑菇形涡结构的形成机理及其表现特征等问题进行研究，对发展潜艇非声遥感探测技术有重要军事价值，同时相关问题也一直是国际流体力学界的前沿热点研究领域之一[3,5].

对于同种流体中以射流出口动量作为源动力的动量射流，研究表明，其流态特性与雷诺数Re有关.当Re＜500时，射流属于层流状态;当Re＞500时，在距离水平喷口的某个位置处，射流变得不稳定，湍流涡出现，而且随着Re的增大，层流区逐渐消失，射流逐渐发展为完全湍流，直至其锥形角近似为一个常数[6-8].在湍流射流中包含着剪切层不稳定性触发的丰富拟序结构，包括涡环、单螺……