第六章-气体射流要点

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。PVAV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yxRSxSnx0r0射流极点喷管出口射流核心区内边界面外边界面射流边界层主体段起始段转折截面v0v0等密度气体射流速度场示意图1.射流的几何特性：射流外边界扩张的变化规律称为射流的几何特性。了解射流的几何特性主要是要了解射流的扩张半径R与射程s的关系。所谓射程s就是射流断面与射流出口的距离。影响射流的扩张半径R主要因素有两个。一个是射流出口断面上气流的紊流强度a，紊流强度a的大小用紊流系数表示。紊流系数是表征射流流动结构的特征系数。a值越大，表明紊流强度越大，其与周围介质混合的能力就越强，周围被带动的介质就越多，射流的扩展就越大。基本概念2.射流的运动特性：射流的速度分布规律反映出射流的运动特性。许多学者通过大量实验，对不同断面上的速度分布进行了测定，得到了射流的速度分布规律。3.射流的动力特征：射流过流断面间的动量变化规律为射流的动力特性。实验证明，射流中任意点上的压强均等于周围气体的压强。4.平面射流：仅在平面上扩张的射流为平面射流。从相当长的条缝形射孔中射出的气体，只能在垂直于条缝长度方向的平面上扩张运动，形成的就是平面射流。射流计算见表6-2（二）射流场的几何特征及紊流系数a)294.0(4.34.311R0000000rasrsaxsxsxxxr＋＝＝＝aaaKtg4.344.2圆断面射流平面射流a----紊（湍）流系数147.08.600dasdD00,4.3rxxxarR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。a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图6-2主体段速度分布图图6-3起始段速度分布25.11Rym25.11（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202000022rQydyRydyrR0220202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mv－＝＋＝xadasrasvvm96.0147.048.0294.0965.0000二.断面流量Q三.断面平均速度1四.质量平均流速2)147.0(4.4)294.0(2.2000dasrasQQ－＝＋＝xadasras19.0147.0095.0294.019.00001xadasras4545.0147.023.0294.04545.00002147.048.0100dasm＝＞arsn0671.0五、起始段核心区长度的计算及核心收缩角nsasrtgn49.10【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。m12【解】查表6-1，得=0.08。先求核心长度所求截面在主体段内。amarsn26.108.015.0672.0672.00mrrasR721.015.0294.015.01.208.04.3294.04.300smdQ/785.73.014.3455.0422000ns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。m012习题解析例6－2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：R0＝0.15m，R＝1.2m，＝3.0m/s。解：(1)由表9－2查得空气淋浴喷口的紊流系数a＝0.08。由表9－1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0004.3)294.0(4.3RsaRasRRm86.308.04.315.02.14.30aRRsu习题解析说明工作区在射流主体段内。(2)由表9－1中主体段质量平均流速计算式，得喷口流速为喷口流量为m/s5.15455.03)294.015.086.308.0(455.0)294.0(00uRsau/sm095.15.153.02141320200udQm3.86m26.108.015.0672.0672.00naRs§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.5.11RyxxTTmmm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mT147.035.000dasTTm2.质量平均温差2T147.023.0002dasTTCTdQcQQcT2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。jgmme)(22dtyddtdjyjdty则jdtdtdtyy由等压过程的气体状态方程可得gTTggjemmemme0073.01代入上式，即得gdtTTdtyem0073.0'dtdtTTgme0073.0因为dtdsm故利用，可得sdsm001sdtdtdssdtsdtdtdtmmmm000011294.0965.000rasm230200115.0251.0sraTTgye由实验修正,将0.115改为0.355。＝＞230200335.0251.0sraTTgye0020AregdTvT习题解析例6－3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β0＝1，＝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，R＝1.25m，β0＝1，＝3.5。T0＝288K，Ta＝303K，T′＝298K，ΔT0＝T0－Ta＝288－303＝－15K，ΔT′＝T′－Ta＝298－303＝－5K解：(1)由式(9－6)得m68.522.025.122.0Rxuxx习题解析由式(9－24a)则故风口半径为风口直径为其中：xxTTxTT626.628830346.646.60a0088.19515626.6626.60TTxm286.088.1968.50xxRm572.0286.02200Rdm68.4286.05.368.55.300Rxxxsm0.1286.05.35.300Rx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(9－1