《流体力学》第六章气体射流.ppt

第六章第六章 气体射流气体射流n n气体自孔口、喷嘴或条缝向外喷射所形成的流动，气体自孔口、喷嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射流，简称为称为气体淹没射流，简称为气体射流气体射流。n n当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流紊流射流射流。n n在空调通风工程上所应用的射流，多为在空调通风工程上所应用的射流，多为气体紊流气体紊流射流射流。n n射流主要研究的是出流后的射流主要研究的是出流后的流速场流速场、温度场温度场和和浓浓度场度场。n n射流分无限空间射流（射流分无限空间射流（自由射流自由射流）和有限空间射）和有限空间射流（流（受限射流受限射流）。）。.第一节第一节 无限空间淹没紊流射流的特征无限空间淹没紊流射流的特征n n气流自半径为气流自半径为R的圆断面喷嘴喷的圆断面喷嘴喷出，出口断面上出，出口断面上的速度认为均匀的速度认为均匀分布。分布。n n紊流的横向脉动造成射流与周围介质之间不断发紊流的横向脉动造成射流与周围介质之间不断发生质量、动量交换，形成向周围扩散的锥体状流生质量、动量交换，形成向周围扩散的锥体状流动场。动场。.n n射流核心射流核心射流核心射流核心n n边界层边界层边界层边界层n n过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）n n起始段及主体段起始段及主体段起始段及主体段起始段及主体段n n扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）n n紊流系数紊流系数紊流系数紊流系数紊流系数与紊流系数与出口断面上出口断面上紊流强度有紊流强度有关，也与出关，也与出口断面上速口断面上速度分布的均度分布的均匀性有关。匀性有关。（表（表6-1）射流结构射流结构.喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.0660.0710.071圆柱形管圆柱形管圆柱形管圆柱形管0.0760.0760.080.08带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管0.120.120.200.20紊流系数紊流系数.平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口紊流系数紊流系数 从表中数值可知从表中数值可知,喷嘴上装置不同形式的喷嘴上装置不同形式的风板栅栏风板栅栏,则出口截面上气流的扰动紊乱程度则出口截面上气流的扰动紊乱程度不同不同,因而紊流系数也就不同。扰动大的紊流因而紊流系数也就不同。扰动大的紊流系数值增大，扩散角也增大。系数值增大，扩散角也增大。0.240.240.1080.1080.1180.118喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机0.1550.155.由由可知：可知：a值确定，射流边界层的外边界线也就确定，射流值确定，射流边界层的外边界线也就确定，射流即按一定的扩散角向前作扩散运动，这就是它的即按一定的扩散角向前作扩散运动，这就是它的几何特征。应用这一特征，对圆断面射流可求几何特征。应用这一特征，对圆断面射流可求出射流半径射程的变化规律出射流半径射程的变化规律.可得：可得：又又以直径表示以直径表示.n n由两图中可见：无论主体段或起始段内，由两图中可见：无论主体段或起始段内，轴心速度最大，从轴心向边界层边缘，速轴心速度最大，从轴心向边界层边缘，速度逐渐减小至零。度逐渐减小至零。n n距喷嘴距离越远，即距喷嘴距离越远，即x值增大，边界层厚度值增大，边界层厚度越大，而轴心速度则越小，也就是说，随越大，而轴心速度则越小，也就是说，随着着x的增大，速度分布曲线不断地扁平化了。的增大，速度分布曲线不断地扁平化了。n n注意几个符号的含义：注意几个符号的含义：.用半经验公式表示射流各横截面上的用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布为：无因次速度分布为：.动力特征：动力特征：n n实验证明：射流中任意点上的静压强均等实验证明：射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。于周围气体的压强。n n因各面上所受静压强均相等，则因各面上所受静压强均相等，则x轴向外力轴向外力之和为零。之和为零。n n据动量方程可知，各横截面上动量相等据动量方程可知，各横截面上动量相等动量守恒，这就是射流的动力学特征。动量守恒，这就是射流的动力学特征。.圆断面射流为例应用动量守恒原理截面圆断面射流为例应用动量守恒原理截面上动量流量为上动量流量为 .任意横截面上的动量流量则需积分任意横截面上的动量流量则需积分动量守恒式：动量守恒式：.第二节第二节 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析n n现根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度，现根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度，流量和射程的变化规律。流量和射程的变化规律。n n轴心速度轴心速度用用 除两端：除两端：.应用半经验公式代入：应用半经验公式代入：.n1 11.51.52 22.52.53 3BnBn0.09850.09850.0640.0640.04640.04640.03590.03590.02860.0286CnCn0.38450.38450.30650.30650.25850.25850.22560.22560.20150.2015BnBn和和CnCn值值.再将射流半径再将射流半径R R沿程变化规律沿程变化规律6-1-2),(6-1-2a)(6-1-2),(6-1-2a)式代入式代入,得得:说明了无因次轴心速度与无因次距离说明了无因次轴心速度与无因次距离成反比的规律成反比的规律.n n断面流量断面流量n n断面平均流速断面平均流速n n质量平均流速质量平均流速n n起始段核心长度及收缩角起始段核心长度及收缩角n n起始段流量起始段流量n n起始段断面平均流速起始段断面平均流速n n起始段质量平均流速起始段质量平均流速.段段名名参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流扩散角扩散角 射流直径射流直径或半高度或半高度主主体体段段Db射流参数的计算射流参数的计算.段名段名段名段名参数名称参数名称参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流主主主主体体体体段段段段轴心速度轴心速度轴心速度轴心速度流量流量流量流量Q Q Q Q断面平均断面平均断面平均断面平均流速流速流速流速质量平均质量平均质量平均质量平均流速流速流速流速.段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称符符符符号号号号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段流量流量流量流量断面平均断面平均断面平均断面平均流速流速流速流速质量平均质量平均质量平均质量平均流速流速流速流速.段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称 符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段核心长度核心长度核心长度核心长度喷嘴至喷嘴至喷嘴至喷嘴至极点距离极点距离极点距离极点距离收缩角收缩角收缩角收缩角.例例6-16-1：用轴流风机水平送风，风机直径为：用轴流风机水平送风，风机直径为d d0 0=600mm=600mm，出口风速，出口风速10m/s10m/s，求距出口，求距出口1010米米处的轴心速度和风量。处的轴心速度和风量。解：首先应判断该截面是处于起始段还是主解：首先应判断该截面是处于起始段还是主体段体段（在书上补充）（在书上补充）应用表应用表6-3的公式进行计算的公式进行计算喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.0660.0710.071圆柱形管圆柱形管圆柱形管圆柱形管0.0760.0760.080.08带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管0.120.120.200.20紊流系数紊流系数.例例6-26-2：已知空气淋浴地带要求射流半径为：已知空气淋浴地带要求射流半径为1.2m1.2m质量平均流速，质量平均流速v v2 2为为3m/s3m/s，圆形喷嘴，圆形喷嘴直径为直径为0.3m0.3m，求，求1 1、喷口至工作地带的距离。、喷口至工作地带的距离。2 2、喷嘴流量。、喷嘴流量。喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.0660.0710.071圆柱形管圆柱形管圆柱形管圆柱形管0.0760.0760.080.08带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管0.120.120.200.20紊流系数紊流系数已知射流直径已知射流直径D,v v2 2,d,d0 0,a,a,求求S和和Q0.第三节第三节 平面射流平面射流n n气体从狭长缝隙中外射运动时，射流只能在垂气体从狭长缝隙中外射运动时，射流只能在垂直条缝长度的平面上扩散运动，如果条缝相当直条缝长度的平面上扩散运动，如果条缝相当长，这种流动可视为平面运动，故称为平面射长，这种流动可视为平面运动，故称为平面射流。流。n n平面射流喷口高度以平面射流喷口高度以2b0表示，表示，tg=2.44a,其他其他几何、运动动力特征完全与圆断面射流相似，几何、运动动力特征完全与圆断面射流相似，公式见表公式见表6-3。n n和圆断面射流相比，流量沿程的增加，流速沿和圆断面射流相比，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。定在垂直于条缝长度的平面上的缘故。.段段名名参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流扩散角扩散角 射流直径射流直径或半高度或半高度主主体体段段Db射流参数的计算射流参数的计算.段名段名段名段名参数名称参数名称参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流主主主主体体体体段段段段轴心速度轴心速度轴心速度轴心速度流量流量流量流量Q Q Q Q断面平均断面平均断面平均断面平均流速流速流速流速质量平均质量平均质量平均质量平均流速流速流速流速.段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称符符符符号号号号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段流量流量流量流量断面平均断面平均断面平均断面平均流速流速流速流速质量平均质量平均质量平均质量平均流速流速流速流速.段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称 符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段核心长度核心长度核心长度核心长度喷嘴至喷嘴至喷嘴至喷嘴至极点距离极点距离极点距离极点距离收缩角收缩角收缩角收缩角.第四节第四节 温差或浓差射流温差或浓差射流n n射流本身的温度或浓度与周围气体的射流本身的温度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。温度、浓度有差异。n n温差、浓差射流分析，主要是研究射温差、浓差射流分析，主要是研究射流温差、浓差分布场的规律，同时讨流温差、浓差分布场的规律，同时讨论由温差、浓差引起的射流弯曲的轴论由温差、浓差引起的射流弯曲的轴心轨迹。心轨迹。.在在实际实际应用中，为简化起见，可以认为：应用中，为简化起见，可以认为：温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。热量扩散比动量扩散要快热量扩散比动量扩散要快，温度边界层，温度边界层比速度边界层发展要快要厚。浓度扩散与温比速度边界层发展要快要厚。浓度扩散与温度扩散相似。度扩散相似。实线：速度边界层实线：速度边界层实线：速度边界层实线：速度边界层虚线：温度边界层虚线：温度边界层虚线：温度边界层虚线：温度边界层.试验得出：截面上温度分布、浓度分布与速试验得出：截面上温度分布、浓度分布与速度分布关系如下：度分布关系如下：截面上任一点温差截面上任一点温差截面上任一点温差截面上任一点温差轴心上温差轴心上温差轴心上温差轴心上温差.与动力特征类似，热力特征是：与动力特征类似，热力特征是：在在等压等压的情况下，以周围气体的焓的情况下，以周围气体的焓值作为起算点，射流值作为起算点，射流各横截面上的各横截面上的相对焓值不变相对焓值不变。.轴心温差：轴心温差：质量平均温差：质量平均温差：该温差乘该温差乘Qc，便得出相对焓值。，便得出相对焓值。起始段质量平均温差：起始段质量平均温差：书上错了书上错了书上错了书上错了,改过来改过来改过来改过来书上错了书上错了书上错了书上错了,改过来改过来改过来改过来浓差温差的射流计算见表浓差温差的射流计算见表6-4.射流弯曲射流弯曲n n温差射流或浓差射流由于温差射流或浓差射流由于温差射流或浓差射流由于温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同密度与周围密度不同密度与周围密度不同密度与周围密度不同,所受重所受重所受重所受重力与浮力不相平衡力与浮力不相平衡力与浮力不相平衡力与浮力不相平衡,使整个射流将发生使整个射流将发生使整个射流将发生使整个射流将发生向下或向上弯曲向下或向上弯曲向下或向上弯曲向下或向上弯曲,但整个射流仍可看作是但整个射流仍可看作是但整个射流仍可看作是但整个射流仍可看作是对称于轴心线对称于轴心线对称于轴心线对称于轴心线。n n取轴心线上单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力取轴心线上单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力取轴心线上单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力取轴心线上单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力和浮力作用，推导轴心线弯曲轨迹公式。和浮力作用，推导轴心线弯曲轨迹公式。和浮力作用，推导轴心线弯曲轨迹公式。和浮力作用，推导轴心线弯曲轨迹公式。xyAAyxd射流轴线的弯曲射流轴线的弯曲A.由气体状态方程式，在等压状态下，有：由气体状态方程式，在等压状态下，有：xyAAyxdAj:j:垂直向上的加速度垂直向上的加速度垂直向上的加速度垂直向上的加速度.将轴心温差换成了轴心速度关系将轴心温差换成了轴心速度关系.将将 代入，积分，并与实验数据对比后得：代入，积分，并与实验数据对比后得：记在表记在表记在表记在表6-46-4上上上上.为为阿基米德准数阿基米德准数用喷嘴直径除之，得无因次轨迹方程为：用喷嘴直径除之，得无因次轨迹方程为：对于平面射流对于平面射流：例题例题6-16-1，6-26-2，6-36-3.第六节第六节 有限空间射流有限空间射流射流结构射流结构n n边界橄榄状边界橄榄状n n有回流区有回流区n n流线呈闭合状流线呈闭合状n n射流分三阶段射流分三阶段自由扩张段自由扩张段有限扩张段有限扩张段收缩段收缩段n n贴附射流贴附射流.末端涡流区末端涡流区 当房间长度大于某一值时，在封闭末端将产生涡流区。当房间长度大于某一值时，在封闭末端将产生涡流区。当房间长度大于某一值时，在封闭末端将产生涡流区。当房间长度大于某一值时，在封闭末端将产生涡流区。涡流区的出现是通风空调工程中所不希望的。涡流区的出现是通风空调工程中所不希望的。涡流区的出现是通风空调工程中所不希望的。涡流区的出现是通风空调工程中所不希望的。可采用改变喷嘴型式、双侧射流送风等方法来消除。可采用改变喷嘴型式、双侧射流送风等方法来消除。可采用改变喷嘴型式、双侧射流送风等方法来消除。可采用改变喷嘴型式、双侧射流送风等方法来消除。LH末端产生涡流区末端产生涡流区.