第六章-气体射流

第六章气体射流基本概念射流：流体经孔口或管嘴流出，流入另一部分流体介质中的现象。射流的分类：1、依照流体的种类，有气体射流和液体射流。2、依照射流条件，有淹没射流和自由射流。3、依照出流空间对射流是否有影响，有无限空间射流和有限空间射流。4、依照射流流态，有层流射流和紊流射流。5、依照喷口形状，有圆形射流、矩形射流和条缝射流。如矩形喷口长短边之比不大于3：1时，矩形射流可以迅速发展成圆形射流；当大于10：1时，为条缝射流，即平面射流。§6.1无限空间淹没紊流射流的特征气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动称为气体淹没射流，简称为气体射流。射流与孔口管嘴出流的研究对象不同。前者讨论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。与管道流动一样，气体射流也有层流射流与紊流射流之分。工程上的流动，多为紊流射流。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，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。一、射流场的形成与结构§6.1无限空间淹没紊流射流的特征1、射流场的形成由于射流为紊流，横向脉动导致与周围气体发生动量交换，从而把相邻的静止液体卷吸进来，随着流程的增加，射流过流断面不断加大，流量不断增加。一、射流场的形成与结构§6.1无限空间淹没紊流射流的特征2、射流场的结构射流核心：图所示AOD部分，该部分气体还未与外界发生交换。边界层：AOD以外的部分，速度小于核心区，又分为内边界层和外边界层。过渡断面：即BOE断面，该断面以外核心区消失。起始段：过渡断面以内，轴心速度均为u0。主体段：过渡断面以外。射流半径R：任意断面轴线到外边界的距离。二、射流场的特征1.几何特征§6.1无限空间淹没紊流射流的特征射流外边界呈直线扩散，两条直线的交点M为极点，两条直线夹角的一半称为极角或扩散角。极角与紊流强度和喷口断面形状有关。3.42.44atgaa圆形喷口条形喷口—形状系数；—紊流系数。a二、射流场的特征1.几何特征§6.1无限空间淹没紊流射流的特征00000000R1113.4tan3.40.294xsxsxrxxssarrasr===+++或147.08.600dasdD二、射流场的特征2.运动特征§6.1无限空间淹没紊流射流的特征射流各断面的半径和流量随射程增大而增大，而流速逐渐减小；主体段内，轴心速度逐渐减小，流速分布图逐渐扁平化，大量实验证明，各射流断面的无因次速度与无因次距离具有相似性，即：21.521.511mvyvR二、射流场的特征3.动力特征§6.1无限空间淹没紊流射流的特征实验证明，整个射流范围内，任意一点的压强等于周围静止气体的压强，则易知沿轴向任意断面间的动量守恒，即：202000022rQydyR§6.2圆断面射流的运动分析mv220002Rvydyrv一、主体段轴心速度:000480960147mvasvaxd..==+.由式两端同除以2mRv§6.2圆断面射流的运动分析一、主体段断面流量:Q000147QasQd=4.4+.断面平均流速:1v1000147vasvd0.095=+.质量平均流速:2v2000147vasvd0.23=+.二、起始段1.核心区长度的计算2.核心收缩角ns147.048.0100dasmarsn0671.0asrtgn49.10§6.2圆断面射流的运动分析【例】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vm、断面平均速度v1、质量平均速度v2，并进行比较。【解】查表得a=0.08。先求核心长度，所求截面在主体段内。nsmarsn26.108.015.0672.0672.00mssn1.2mrrasR721.015.0294.015.01.208.04.3294.04.300smdQ/785.73.014.3455.0422000从而由主体段计算公式得smdasm/285.5785.7147.03.01.208.048.0147.048.000smdas/046.1785.7147.03.01.208.0095.0147.0095.0001smdas/533.2785.7147.03.01.208.023.0147.023.0002分析：由计算可知主体段内的轴心速度vm小于核心速度v0；比较v1、v2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。§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。平面射流特征：喷口高度以2b0（b0半高度）表示。而几何、运动、动力特征则完全与圆断面射流相似。结论：和圆断面射流相比，流量沿程的增加、流速沿程的衰减都要慢些。这是因为运动的扩散被限定在垂直于条缝长度的平面上的缘故。§6.3平面射流射流参数计算：前面研究的射流与周围气体温度和密度相同，因而射流轴线与喷口流速的方向相同，为一直线，称为等温射流。在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，此时为温差射流，而将有害气体或灰尘浓度降低的射流为浓差射流。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。§6.4温差射流与浓差射流一、温差与浓差射流的特征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。§6.4温差射流与浓差射流一、温差与浓差射流的特征2.研究内容浓度扩散与温度相似。在实际应用中，为了简化起见，可以认为，温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。于是参数R、Q、vm、v1、v2等可使用前两节所述公式，仅对轴心温差△Tm，平均温差等沿射程的变化规律进行讨论。§6.4温差射流与浓差射流定义参数：以足标e表示周围气体的符号§6.4温差射流与浓差射流一、温差与浓差射流的特征2.运动特征由试验得出，截面上温差分布、浓差分布与速度分布之间具有相似性，即：11.521.511mmTvyTvR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。CTdQc二、几个主要参数的计算公式1.轴心温差mT2.质量平均温差2T147.023.0002dasTT§6.4温差射流与浓差射流000.350.147mTasTd2.TQc相对焓值流量三、射流弯曲§6.4温差射流与浓差射流温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同，所受的重力与浮力不相平衡，使整个射流将发生向下或向上弯曲。但整个射流仍可看作是对称于轴心线。我们采用近似的处理方法：取轴心线上的单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力与浮力作用，应用牛顿定律导出公式。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。由牛二定律：jgmme)(22ydvdyjdtdtyvjdt则§6.4温差射流与浓差射流三、射流弯曲yyvdtdtjdt由等压过程的气体状态方程可得0010.73ememmmejggTgT§6.4温差射流与浓差射流三、射流弯曲0010.73yememmmeyvdtdtjdtjggvTgvT0000'0.730.73memevTydtgdtvTTgdtvdtvT因为mdsvdt故000000111mmmmmvdtvdtsdtvsdtvvvvdssdtsdsvvdtvv利用，可得294.0965.000rasm230200115.0251.0sraTTgye由实验修正,将0.115改为0.355。＝＞230200335.0251.0sraTTgye§6.4温差射流与浓差射流【例题】高出地面5m处设一孔口d0为0.1m，以2m/s速度向房间水平送风。送风温度，室内温度。试求距出口3m处的t2、v2及弯曲轴心坐标。0010tC027etC【解】查表得紊流系数a=0.08。2000.230.2320.0920.18/0.0830.1470.1470.1vvmsasd147.023.0002dasTTTTee由，可得02000.230.2327102723.670.0830.1470.1470.1eettttCasd从而有320200322'0.510.359.810270.080.5130.3534.282273270.1egTayssTdm§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。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vx，在横截面上沿半径方向的径向速度vr，在横截面上做圆周运动的切向速度vθ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。202vpppa§6.5旋转射流四、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。400dKL§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§6.6有限空间射流二、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。射流中各横截面上动量不相等，沿程减少。三、回流速度的半经验公式xfexdFvvxx2377.100010177.0§6.6有限空间射流在房间长度l大于射程长度L4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。§6.6有限空间射流