流体力学第六章 气体射流.ppt

第六章 气体射流,气体自孔口管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射流，简称气体射流。当出口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射流。 射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。,第六章 气体射流,射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面的流速和流量。,出流空间大小，对射流的流动影响很大。出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间射流,射流的分类方法： 1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音速射流和超音速射流。 3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动的过程中，是否受到某固体边界的约束，可分为自由射流、半限制射流和限制射流。,4.按射流流体在扩散流动过程中是否旋转，可分为旋转射流和非旋转射流。 5.按射流管嘴出口截面形状不同，可分为圆形射流(又称轴对称射流)、矩形射流、条缝射流(可按平面射流处理)、环状射流和同心射流等。 对于矩形射流，当长宽比小于3时，可按轴对称射流考虑，当长宽比大于10时，按平面射流考虑。 6.按射流流体的流动方向与外界空间流体的流动方向不同，可分为顺流射流、逆流射流和叉流射流。,7.按射流流体与外界空间内流体的温度及浓度不同，可分为温差射流和浓差射流。 8.按射流流体内所携带的异相物质的不同，可分为气液两相射流，气固两相射流和液固两相射流以及气液固多相射流等。 由于工程上常见的射流一般都是紊流射流，所以本章主要讨论紊流射流的特征和机理。,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征 6.2 圆断面射流的运动分析 6.3 平面射流 6.4 温差射流与浓差射流 6.6 有限空间射流,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面的流速和流量。,P,VAV末端,温控器,扩散器的水力设计,假设气体从半径r0的圆形喷口喷出，由于讨论的是湍流射流，所以气体在出口断面上的速度分布是均匀的，设出口速度为v0，气体从喷口喷出后，由于湍流脉动，射流气体和周围气体不断进行动量交换，从而把周围的静止气体卷吸到射流中来，使得射流的流量和过流断面沿程不断增大，从而扩大圆锥状的结构。,（一）射流场的形成与结构 -极角或扩散角,速度为u0的部分称为核心区；其余部分称为边界层。,过度断面：只有轴心速度为u0的断面。,图6-1 自由射流的流场结构特征,（二）射流场的几何特征及紊流系数a,圆断面射流,平面射流,a-紊（湍）流系数,取决于管嘴出口截面上流体的紊流度及速度分布的均匀程度，管嘴出口处流体的紊流度越大，流速分布越不均匀，a值越大。,形状系数； 湍流系数，由实验决定，是表示射流流动结构的特征系数。 湍流系数与喷口断面的湍流强度 和速度分布均匀性有关。,取决于管嘴出口截面上流体的紊流度及速度分布的均匀程度，管嘴出口处流体的紊流度越大，流速分布越不均匀，a值越大。,（三） 射流边界层的运动特征,（四）射流场的动力特征 x方向外力的合力为零，动量守恒-射流的动力学特征,列动量守恒式：,6.2 圆断面射流的运动分析,(一)主体段轴心速度,二. 断面流量,三.断面平均速度,四.质量平均流速,五、起始段核心区长度 的计算及核心收缩角,【例题6.3】圆射流以Q0=0.55m3/s，从d0=0.3m管嘴流出。试求2.1m处射流半宽度R、轴心速度 、断面平均速度 、质量平均速度 ，并进行比较。,【解】查表6-1，得 =0.08。 先求核心长度 所求截面在主体段内 。,从而由主体段计算公式得,分析：由计算可知主体段内的轴心速度 小于核心速度 ；比较 、 可以看出,用质量平均速度代表使用区的流速要比断面平均流速更适合。,习 题 解 析,例62 已知空气淋浴喷口直径为0.3m，要求工作区的射流半径为1.2m，质量平均流速为3m/s。求喷口至工作区的距离和喷口流量。 已知：R00.15m，R1.2m， 3.0m/s。 解：(1) 由表92查得空气淋浴喷口的紊流系数a0.08。由表91中主体段射流半径计算式，得 所以，喷口至工作区的距离为 射流起始段长度为,习 题 解 析,说明工作区在射流主体段内。 (2) 由表91中主体段质量平均流速计算式，得喷口流速为 喷口流量为,6.3 平面射流,气体从狭长隙缝中外射运动时，射流在条缝长度方向几乎无扩散运动，只能在垂直于条缝长度的各个平面上扩散运动，这种流动可视为平面运动，故称平面射流,射流参数的计算见165页表6-3,定义： 当射流流体与周围空间介质之间存在着温度差或浓度差,则这样的射流就称为温差射流或浓差射流。 举例： (1)夏天向热车间吹送冷空气以降温；冬天向工作区吹送热空气以取暖等属于温差射流的例子。 (2)向含尘浓度高的车间吹送清洁空气以改善工作环境；向高温火焰炉内喷吹燃料和助燃空气等属于浓差射流的例子。,6.4 温差射流与浓差射流,温差或浓差射流分析，主要是研究温差或浓差场的分布规律，同时讨论由温差或浓差引起的射流弯曲的轴心轨迹。,(一) 温差射流的特征 1. 几何特征 除常规射流的动量、质量交换，温差射流还存在热量交换。由于热扩散略快于动量扩散，因此温度边界层比速度边界层发展要快些厚些。但在处理实际问题时，为简化起见，认为二者相同。 2.温差(或浓差)分布的相似性.,3.热力学特征：在等压情况下，射流断面上相对焓值流量不变。,（二）几个主要参数的计算公式,1. 轴心温差,2. 质量平均温差,相对焓值流量。,(三)、射流轴线的弯曲 温差射流或浓差射流的密度与周围流体介质的密度不同，致使作用于射流质点上的重力与浮力不平衡，造成整个射流向上或向下弯曲，如图9-6所示。但这时整个射流仍可看作是对称于轴线的，因此，只要了解射流轴线的弯曲情况，便可知道整个射流的弯曲情况。一般热射流和含轻密度物质的射流向上弯曲；而冷射流和含重密度物质的射流向下弯曲。 温差射流或浓差射流的密度不仅沿程有变化，而且在同一射流截面上的不同点也是不同的，要精确计算射流轴线的弯曲轨迹比较复杂，我们采用近似的计算方法。,图6-7 射流轴线的弯曲,（三） 射流弯曲 取轴心线上的单位体积气体为研究对象, 只考虑重力与浮力作用。,则,由等压过程的气体状态方程可得,代入上式，即得,因为,故,利用 ，可得,由实验修正, 将0.115改为0.355。 ,习 题 解 析,例63 工作带质量平均流速要求为3m/s，工作面直径为2.5m，送风温度为15，车间温度为30，要求工作带的质量平均温度降到25，采用风机送风，取01， 3.5。求：(1)风口直径和风口至工作面的距离；(2)风口的风速和风量；(3)工作面中心点温度；(4)射流在工作带下降的距离。 已知： 3.0m/s，R1.25m，01， 3.5。 T0288K， Ta303K，T298K， T0T0Ta28830315K， TTTa2983035K 解：(1) 由式(96)得,习 题 解 析,由式(924a) 则 故风口半径为 风口直径为 风口至工作面的距离为 其中：,习 题 解 析,起始段长度为 说明工作面在射流主体段内。 (2) 由式(911)得风口的风速为 风口的风量为 (3) 由式(922)得 所以工作面中心点温度为 TmTaTm3037.2295.8K，tm295.827322.8,习 题 解 析,(4) 由式(926)得射流在工作带下降的距离为 其中：阿基米德数为 上式中的负号表示射流下降，如为正号则表示射流上升。,习 题 解 析,例题三附图 射流的下降,【例题6.4】高出地面5m处设一孔口 为0.1m，以2m/s速度向房间水平送风。送风温度 ，室内温度 =27。试求距出口3m处的 、 及弯曲轴心坐标。,【解】由表6.2查得湍流系数 0.08。,由,，可得,从而，有,6.5 旋转射流,气流通过具有旋流作用的喷嘴外射运动。气流本身一面旋转，一面向周围介质中扩散前进，称为旋转射流。 一、基本特征 旋转是旋转射流基本特征，旋转使射流获得向四周扩散的离心力。和一般射流比较，扩散角大，射程短，射流的紊动性强。,旋流产生的方法 流体的旋转流动一般可通过以下几种方法获得： 1.气体切向进入圆筒形喷管(如图示)，首先形成旋转流动，再从喷口喷出，即形成旋转射流。 ,2.在轴向管流内安装旋流叶片或加工旋流槽道(如图示)，气体通过旋流叶片或旋流槽道产生旋转流动，然后再从喷口喷出形成旋转射流。气体旋转的强弱程度(旋流强度)可通过改变导向旋流叶片的安装角度来调整。,3.用旋转的机械装置,可使流经其上的液体形成旋流，图所示的转杯式燃油烧嘴就是机械式旋流装置中的一种。 转杯式烧嘴示意图,二、旋转射流的流速分布,旋转射流的速度分解为三个分量：沿射流前进方向的轴向速度 ，在横截面上沿半径方向的径向速度 ，在横截面上做圆周运动的切向速度,三、旋转射流压强分布,旋流器出口的旋转射流中心压力低于大气压强的，随着旋转射流沿轴向前进，静压强p越来越接近pa.旋转射流中心由于低于大气压强，具有强烈的卷吸能力。,四、旋转强度,旋转强度表征旋转射流的特性。其值越大，旋转射流的旋转越厉害，回流区越大，旋转扩散角也越大，射程越短。,6.6 有限空间射流,在射流运动中，由于受壁面、顶棚以及空间的限制，自由射流规律不再适用，因此必须研究受限后的射流即有限空间射流运动规律。目前有限空间射流理论尚不完全成熟，多是根据实验结果整理成近似公式或无量纲曲线，供设计使用。,一、射流结构 有限空间射流由自由扩张段、有限扩张段、收缩段组成,二、动力特征 射流内部压强是变化的，随射程的增大，压强增大，直至端头压强最大，达稳定值后比周围压强要高些。射流中个横截面上动量不相等，沿程减少 三、回流速度的半经验公式,在房间长度大于情况下，实验证明在封闭末端产生涡流区。涡流区的出现是通风空调工程所不希望的，应当清除。,