气体射流要点.pptx

第六章第六章 气体射流气体射流气体自孔口气体自孔口管嘴或条缝向外喷射所形成的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，叫做紊流射口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射流。流。射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和射流在水泵、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。喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。第六章第六章 气体射流气体射流 射射流流与与孔孔口口管管嘴嘴出出流流的的研研究究对对象象不不同同，射射流流主主要要研研究究的的是是出出流流后后的的流流速速场场、温温度度场场和和浓浓度度场场。后者仅讨论出口断面的流速和流量。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，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。反之为有限空间为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间射流射流 射流的分类方法：射流的分类方法：1.1.按按射射流流流流体体的的流流动动状状态态不不同同，可可分分为为层层流流射射流流和和紊紊流流射射流流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷雷诺诺数大于数大于30以后即为紊流射流。以后即为紊流射流。2.2.按按射射流流流流体体的的流流动动速速度度大大小小不不同同，可可分分为为亚亚音音速射流速射流和和超音速射流超音速射流。3.3.按按射射流流流流体体在在充充满满静静止止流流体体的的空空间间内内扩扩散散流流动动的的过过程程中中，是是否否受受到到某某固固体体边边界界的的约约束束，可可分分为为自自由由射流射流、半限制射流半限制射流和和限制射流限制射流。4.4.按按射射流流流流体体在在扩扩散散流流动动过过程程中中是是否否旋旋转转，可可分分为为旋转射流旋转射流和和非旋转射流非旋转射流。5.5.按按射射流流管管嘴嘴出出口口截截面面形形状状不不同同，可可分分为为圆圆形形射射流流(又又称称轴轴对对称称射射流流)、矩矩形形射射流流、条条缝缝射射流流(可可按按平平面射流处理面射流处理)、环状射流环状射流和和同心射流同心射流等。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。6.6.按按射射流流流流体体的的流流动动方方向向与与外外界界空空间间流流体体的的流流动动方向不同，可分为方向不同，可分为顺流射流顺流射流、逆流射流逆流射流和和叉流射流叉流射流。7.7.按按射射流流流流体体与与外外界界空空间间内内流流体体的的温温度度及及浓浓度度不不同，可分为同，可分为温差射流温差射流和和浓差射流浓差射流。8.8.按按射射流流流流体体内内所所携携带带的的异异相相物物质质的的不不同同，可可分分为为气气液液两两相相射射流流，气气固固两两相相射射流流和和液液固固两两相相射射流流以以及及气液固多相射流气液固多相射流等。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。6.16.1 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6.2 6.2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析6.3 6.3 平面射流平面射流6.4 6.4 温差射流与浓差射流温差射流与浓差射流6.6 6.6 有限空间射流有限空间射流6.16.1 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射流与孔口管嘴出流的研究对象不射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，同，射流主要研究的是出流后的流速场射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面后者仅讨论出口断面的流速和流量。的流速和流量。P PVAVVAVVAVVAV末端末端末端末端温控器温控器温控器温控器扩散器的水力设计扩散器的水力设计 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（一）射流场的形成与结构-极角或扩散角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yxRSxSnx0r0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1.1.射流的几何特性射流的几何特性：射流外边界扩张的变化规律称为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的扩张半径R R与射程与射程s s的关系。所谓射程的关系。所谓射程s s就是射流断面与就是射流断面与射流出口的距离。射流出口的距离。影响射流的扩张半径影响射流的扩张半径R R主要因素有两个。一个是射流出口断面主要因素有两个。一个是射流出口断面上气流的上气流的紊流强度紊流强度a，紊流强度，紊流强度a的大小用紊流系数表示。紊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。流系数是表征射流流动结构的特征系数。a值越大，表明紊值越大，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。的介质就越多，射流的扩展就越大。基本概念基本概念2.2.射流的运动特性：射流的运动特性：射流的速度分布规律反映出射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。的速度分布进行了测定，得到了射流的速度分布规律。3.3.射流的动力特征：射流的动力特征：射流过流断面间的动量变化规律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，为射流的动力特性。实验证明，射流中任意点上的压强射流中任意点上的压强均等于周围气体的压强均等于周围气体的压强。4.4.平面射流：平面射流：仅在平面上扩张的射流为平面射流。从相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。方向的平面上扩张运动，形成的就是平面射流。射流计算见表射流计算见表6-26-2（二）射流场的几何特征及紊流系数（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管嘴出口处流体的紊流度越大，流速分布越不均匀，流度越大，流速分布越不均匀，a值越大。值越大。形状系数；形状系数；湍流系数，由实验决定，是表示射流湍流系数，由实验决定，是表示射流流动结构的特征系数。流动结构的特征系数。湍流系数与喷口断面的湍流强度湍流系数与喷口断面的湍流强度和速度分和速度分布均匀性有关。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，管嘴出管嘴出口处流体的口处流体的紊流度越大，紊流度越大，流速分布越流速分布越不均匀，不均匀，a值值越大。越大。（三）（三）射流边界层的运动特征射流边界层的运动特征图图6-2主体段主体段速度分布图速度分布图图图6-3起始段起始段速度分布速度分布（四）射流场的动力特征（四）射流场的动力特征x方向外力的合力为零，动量守恒方向外力的合力为零，动量守恒-射流的动力学射流的动力学特征特征列动量守恒式：6.26.2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析(一)主体段轴心速度主体段轴心速度二二.断面流量断面流量三三.断面平均速度断面平均速度四四.质量平均流速质量平均流速五、起始段核心区长度五、起始段核心区长度的计算及核心收缩角的计算及核心收缩角 【例例 题题 6.3】圆圆 射射 流流 以以 Q0=0.55m3/s，从从d0=0.3m管管嘴嘴流流出出。试试求求2.1m处处射射流流半半宽宽度度R、轴轴心心速速度度、断断面面平平均均速速度度、质质量量平平均均速速度度，并进行比较。，并进行比较。【解】查表【解】查表6-1，得，得=0.08。先求核心长度先求核心长度所求截面在主体段内所求截面在主体段内。从而由主体段计算公式得从而由主体段计算公式得分分析析：由由计计算算可可知知主主体体段段内内的的轴轴心心速速度度小小于于核核心心速速度度；比比较较、可可以以看看出出,用用质质量量平平均均速速度度代代表表使使用用区区的的流流速速要要比比断断面面平平均均流流速速更更适适合。合。习习 题题 解解 析析 例例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：已知：R00.15m，R1.2m，3.0m/s。解：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习 题题 解解 析析 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 6.3 平面射流平面射流气体从狭长隙缝中外射运动时，射流在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：定义：当射流流体与周围空间介质之间存在着当射流流体与周围空间介质之间存在着温度差温度差或或浓度差浓度差,则这样的射流就称为则这样的射流就称为温差射温差射流流或或浓差射流浓差射流。举例：举例：(1)(1)夏天向热车间吹吹送送冷冷空空气气以降温；冬天向工作区吹送热空气吹送热空气以取暖等属于温差射流的例子。(2)(2)向含尘浓度高的车间吹吹送送清清洁洁空空气气以改善工作环境；向高温火焰炉内喷喷吹吹燃燃料料和助助燃燃空空气气等属于浓差射流的例子。6.4 温差射流与浓差射流温差射流与浓差射流温差或浓差射流分析，主要温差或浓差射流分析，主要是研究是研究温差或浓差场的分布规律温差或浓差场的分布规律，同时讨论由同时讨论由温差或浓差引起的射温差或浓差引起的射流弯曲的轴心轨迹流弯曲的轴心轨迹。(一一)温差射流的特征温差射流的特征1.几何特征几何特征除常规射流的动量、质量交换，温差射流还存在热除常规射流的动量、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。时，为简化起见，认为二者相同。2.温差温差(或浓差或浓差)分布的相似性分布的相似性.3.热力学特征：在等压情况下，射流热力学特征：在等压情况下，射流断面断面上相对焓值流上相对焓值流量不变。量不变。（二）几个主要参数的计算公式（二）几个主要参数的计算公式1.轴心温差轴心温差2.质量平均温差质量平均温差相对焓值流量。相对焓值流量。(三三)、射流轴线的弯曲、射流轴线的弯曲 温温差差射射流流或或浓浓差差射射流流的的密密度度与与周周围围流流体体介介质质的的密密度度不不同同，致致使使作作用用于于射射流流质质点点上上的的重重力力与与浮浮力力不不平平衡衡，造造成成整整个个射射流流向向上上或或向向下下弯弯曲曲，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。一一般般热热射射流流和和含含轻轻密密度度物物质质的的射射流流向向上上弯曲；而冷射流和含重密度物质的射流向下弯曲。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采用近似的计算方法。图6-7 射流轴线的弯曲（三）（三）射流弯曲射流弯曲取轴心线上的单位体积气体为研究对象取轴心线上的单位体积气体为研究对象,只只考虑重力与浮力作用。考虑重力与浮力作用。则则由等压过程的气体状态方程可得由等压过程的气体状态方程可得代入上式，即得代入上式，即得 因为因为故故利用利用，可得，可得由实验修正由实验修正,将将0.115改为改为0.355。习习 题题 解解 析析 例例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：已知：3.0m/s，R1.25m，01，3.5。T0288K，Ta303K，T298K，T0T0Ta28830315K，TTTa2983035K 解：解：(1)由式(96)得习习 题题 解解 析析 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：习习 题题 解解 析析 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 Tm Ta Tm 303 7.2 295.8K，tm 295.8 27322.8习习 题题 解解 析析 (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。习习 题题 解解 析析例题三附图 射流的下降【例例题题6.4】高高出出地地面面5m处处设设一一孔孔口口为为0.1m，以以2m/s速速度度向向房房间间水水平平送送风风。送送风风温温度度，室室内内温温度度=27。试求距出口。试求距出口3m处的处的、及弯曲轴心坐标。及弯曲轴心坐标。【解】由表【解】由表6.2查得湍流系数查得湍流系数 0.08。由由，可得，可得从而，有从而，有6.5 6.5 旋转射流旋转射流气流通过具有旋流作用的喷嘴外射运动。气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，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。称为旋转射流。一、基本特征一、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。的紊动性强。n旋流产生的方法旋流产生的方法 流体的旋转流动一般可通过以下几种方法获得：流体的旋转流动一般可通过以下几种方法获得：1.1.气气体体切切向向进进入入圆圆筒筒形形喷喷管管(如图示)，首先形成旋转流动，再从喷口喷出，即形成旋转射流。例如：新式燃气灶 2.2.在在轴轴向向管管流流内内安安装装旋旋流流叶叶片片或或加加工工旋旋流流槽槽道道(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。3.3.用用旋旋转转的的机机械械装装置置,可可使使流流经经其其上上的的液液体体形形成成旋旋流流，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流前进方向的轴向速度 ，在横截面上沿半，在横截面上沿半径方向的径向速度径方向的径向速度 ，在横截面上做圆周运在横截面上做圆周运动的切向速度动的切向速度三、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，气压强的，随着旋转射流沿轴向前进，静压强静压强p p越来越接近越来越接近p pa.a.旋转射流中心由旋转射流中心由于低于大气压强，具有强烈的卷吸能力。于低于大气压强，具有强烈的卷吸能力。四、旋转强度四、旋转强度旋转强度表征旋转射流的特性。其值越大，旋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。角也越大，射程越短。6.6 6.6 有限空间射流有限空间射流在射流运动中，由于受壁面、顶棚以及空间在射流运动中，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。果整理成近似公式或无量纲曲线，供设计使用。一、射流结构一、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、动力特征二、动力特征射流内部压强是变化的，随射程的增大，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周围压强要高些。射流中个横截面上动量不相等，沿程减少等，沿程减少三、回流速度的半经验公式三、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。的，应当清除。