湍流通量与积分模型系数对海水淡化排放预测的影响机制研究

为解决海水淡化排放中INBJs（倾斜负浮力射流）预测模型精度不足的问题，研究人员通过LES（大涡模拟）数据集首次揭示了湍流通量分布规律，改进了MRBF（修正减浮力通量）积分模型的映射系数，使流速预测误差降低74%。该研究为海洋排污工程设计提供了更精准的理论工具。

　　

随着全球海水淡化产能的快速增长，大规模浓盐水排放引发的生态环境问题日益凸显。这类高盐废水通常以倾斜负浮力射流（INBJ）形式排入海洋，其复杂的湍流混合过程使得传统预测模型存在显著误差。当前核心矛盾在于：一方面，工程设计亟需精准预测排放羽流的扩散路径和稀释效果；另一方面，学界对INBJ中湍流与平均通量的相互作用机制缺乏认知，现有模型仍沿用纯射流（jet）或浮力羽流（plume）的理论假设。

为突破这一瓶颈，研究人员依托高精度自适应大涡模拟（LES）技术，首次完整解析了INBJ三维流场中的通量演化规律。研究发现，INBJ的湍流通量分布呈现显著的空间异质性——在射流上升段，下部区域的湍流动量通量占比高达25%，远超经典射流理论的15%估值；而浮力通量的湍流分量在最大高度处达15.5%，与纯浮力羽流特征存在系统性偏离。这些发现直接挑战了传统积分模型依赖的"自相似性"假设。

研究团队创新性地提出了适用于INBJ的主流动积分区域（PFIR）界定方法，通过量化上下半区的通量差异，推导出新的映射系数体系。关键技术进步体现在：采用动态阈值法确定PFIR边界，确保捕获99.95%的上半区浮力通量；建立变系数映射关系，反映沿程流态演化特征。当这些系数被植入MRBF模型后，对最大高度位置（x_m/DF₀）的预测误差从8.1%降至6.0%，回流点速度（u_r）的预测精度提升64%。

技术方法上，研究采用验证过的自适应LES获取三维流场数据，通过控制体积积分计算各截面的动量通量（∫u_au_adA）和浮力通量（∫u_aCdA），采用条件筛选法分离正向/反向通量分量，最终通过无量纲分析确定模型系数。

研究结果部分揭示多个重要发现：

1. 通量演化规律：在上升阶段（s/DF₀<1.8），湍流动量通量占比从13%递增至19.2%，显示负浮力显著改变湍流结构；
2. 非对称特征：PFIR下半区的时均通量始终高于上半区，但上半区湍流贡献率（B′′_prmUp）达到下区的2倍；
3. 映射系数优化：新确定的流速映射系数（u_c/u_T）沿程递减，与纯射流的恒定系数（1.82）形成鲜明对比；
4. 模型验证：改进后的MRBF模型对45°排放角的预测最为精准，但在75°工况仍存在17.1%的流速高估，反映大倾角下的再夹带效应未被完全刻画。

这项研究的重要意义在于：首次建立了INBJ特有的通量理论框架，将工程模型的预测精度提升到新高度。特别是提出的变系数映射方法，突破了传统积分模型对自相似流动的依赖，为处理复杂环境流体问题提供了范式。未来研究可延伸至波浪环境下的通量演化，并开发适用于大倾角（>60°）排放的修正系数体系。论文发表在《Desalination》的这项成果，标志着海水淡化环境评估从经验公式向机理模型的重要跨越。