第六章 氣體射流

第六章

氣體射流

基本概念

射流：流體經孔口或管嘴流出，流入另一部分流體介質中的現象。射流的分類：1、依照流體的種類，有氣體射流和液體射流。2、依照射流條件，有淹沒射流和自由射流。3、依照出流空間對射流是否有影響，有無限空間射流和

有限空間射流。4、依照射流流態(tài)，有層流射流和紊流射流。

5、依照噴口形狀，有圓形射流、矩形射流和條縫射流。

如矩形噴口長短邊之比不大于3：1時，矩形射流可以迅速發(fā)展成圓形射流；當大于10：1時，為條縫射流，即平面射流。§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征

氣體自孔口、管嘴或條縫向外噴射所形成的流動稱為氣體淹沒射流，簡稱為氣體射流。射流與孔口管嘴出流的研究對象不同。前者討論的是出流后的流速場、溫度場和濃度場。后者僅討論出口斷面的流速和流量。與管道流動一樣，氣體射流也有層流射流與紊流射流之分。工程上的流動，多為紊流射流。

出流到無限大空間中，流動不受固體邊壁的限制，為無限空間射流，又稱自由射流。反之，為有限空間射流，又稱受限射流。一、射流場的形成與結構§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征1、射流場的形成由于射流為紊流，橫向脈動導致與周圍氣體發(fā)生動量交換，從而把相鄰的靜止液體卷吸進來，隨著流程的增加，射流過流斷面不斷加大，流量不斷增加。一、射流場的形成與結構§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征2、射流場的結構射流核心：圖所示AOD部分，該部分氣體還未與外界發(fā)生交換。邊界層：AOD以外的部分，速度小于核心區(qū)，又分為內邊界層和外邊界層。過渡斷面：即BOE斷面，該斷面以外核心區(qū)消失。起始段：過渡斷面以內，軸心速度均為u0。主體段：過渡斷面以外。射流半徑R：任意斷面軸線到外邊界的距離。二、射流場的特征1.幾何特征

§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征射流外邊界呈直線擴散，兩條直線的交點M為極點，兩條直線夾角的一半稱為極角或擴散角。

極角與紊流強度和噴口斷面形狀有關。

—形狀系數；—紊流系數。二、射流場的特征1.幾何特征

§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征或

二、射流場的特征2.運動特征

§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征射流各斷面的半徑和流量隨射程增大而增大，而流速逐漸減??；主體段內，軸心速度逐漸減小，流速分布圖逐漸扁平化，大量實驗證明，各射流斷面的無因次速度與無因次距離具有相似性，即：二、射流場的特征3.動力特征

§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征實驗證明，整個射流范圍內，任意一點的壓強等于周圍靜止氣體的壓強，則易知沿軸向任意斷面間的動量守恒，即：§6.2圓斷面射流的運動分析一、主體段

軸心速度:由式兩端同除以§6.2圓斷面射流的運動分析一、主體段

斷面流量:

斷面平均流速:

質量平均流速:二、起始段1.核心區(qū)長度的計算2.核心收縮角§6.2圓斷面射流的運動分析【例】圓射流以Q0=0.55m3/s，從d0=0.3m管嘴流出。試求2.1m處射流半寬度R、軸心速度vm、斷面平均速度v1、質量平均速度v2，并進行比較。【解】查表得a=0.08。

先求核心長度

，所求截面在主體段內。從而由主體段計算公式得分析：由計算可知主體段內的軸心速度vm小于核心速度v0；比較v1、v2可以看出,用質量平均速度代表使用區(qū)的流速要比斷面平均流速更適合。§6.3

平面射流

氣體從狹長隙縫中外射運動時，射流在條縫長度方向幾乎無擴散運動，只能在垂直于條縫長度的各個平面上擴散運動，這種流動可視為平面運動，故稱平面射流。平面射流特征：噴口高度以2b0（b0半高度）表示。而幾何、運動、動力特征則完全與圓斷面射流相似。結論：

和圓斷面射流相比，流量沿程的增加、流速沿程的衰減都要慢些。這是因為運動的擴散被限定在垂直于條縫長度的平面上的緣故。§6.3

平面射流射流參數計算：

前面研究的射流與周圍氣體溫度和密度相同，因而射流軸線與噴口流速的方向相同，為一直線，稱為等溫射流。

在采暖通風空調工程中，常采用冷風降溫，熱風采暖，此時為溫差射流，而將有害氣體或灰塵濃度降低的射流為濃差射流。溫差或濃差射流分析，主要是研究溫差或濃差場的分布規(guī)律，同時討論由溫差或濃差引起的射流彎曲的軸心軌跡。

§6.4溫差射流與濃差射流一、溫差與濃差射流的特征1.

幾何特征

除常規(guī)射流的動量、質量交換，溫差射流還存在熱量交換。由于熱擴散略快于動量擴散，因此溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要快些厚些。但在處理實際問題時，為簡化起見，認為二者相同。

§6.4溫差射流與濃差射流一、溫差與濃差射流的特征

2.

研究內容

濃度擴散與溫度相似。在實際應用中，為了簡化起見，可以認為，溫度、濃度內外的邊界與速度內外的邊界相同。于是參數R、Q、vm、v1、v2等可使用前兩節(jié)所述公式，僅對軸心溫差△Tm

，平均溫差等沿射程的變化規(guī)律進行討論。

§6.4溫差射流與濃差射流定義參數：以足標e表示周圍氣體的符號§6.4溫差射流與濃差射流一、溫差與濃差射流的特征

2.

運動特征

由試驗得出，截面上溫差分布、濃差分布與速度分布之間具有相似性，即：3.

熱力學特征

在等壓情況下，射流斷面上相對焓值流量不變。二、幾個主要參數的計算公式1.軸心溫差

2.質量平均溫差§6.4溫差射流與濃差射流三、射流彎曲§6.4溫差射流與濃差射流溫差射流或濃差射流由于密度與周圍密度不同，所受的重力與浮力不相平衡，使整個射流將發(fā)生向下或向上彎曲。但整個射流仍可看作是對稱于軸心線。我們采用近似的處理方法：取軸心線上的單位體積流體作為研究對象，只考慮受重力與浮力作用，應用牛頓定律導出公式。

取軸心線上的單位體積氣體為研究對象,只考慮重力與浮力作用。由牛二定律：則

§6.4溫差射流與濃差射流三、射流彎曲由等壓過程的氣體狀態(tài)方程可得§6.4溫差射流與濃差射流三、射流彎曲

因為

故利用

，可得由實驗修正,將0.115改為0.355。＝＞§6.4溫差射流與濃差射流

【例題】高出地面5m處設一孔口d0為0.1m，以2m/s速度向房間水平送風。送風溫度，室內溫度。試求距出口3m處的t2、v2及彎曲軸心坐標?！窘狻坎楸淼梦闪飨禂礱=0.08。由，可得從而有§6.5旋轉射流

氣流通過具有旋流作用的噴嘴外射運動。氣流本身一面旋轉，一面向周圍介質中擴散前進，稱為旋轉射流。一、基本特征

旋轉是旋轉射流基本特征，旋轉使射流獲得向四周擴散的離心力。和一般射流比較，擴散角大，射程短，射流的紊動性強。二、旋轉射流的流速分布

旋轉射流的速度分解為三個分量：沿射流前進方向的軸向速度vx，在橫截面上沿半徑方向的徑向速度vr，在橫截面上做圓周運動的切向速度vθ三、旋轉射流壓強分布

旋流器出口的旋轉射流中心壓力低于大氣壓強的，隨著旋轉射流沿軸向前進，靜壓強p越來越接近pa.旋轉射流中心由于低于大氣壓強，具有強烈的卷吸能力?！?.5旋轉射流四、旋轉強度旋轉強度表征旋轉射流的特性。其值越大，旋轉射流的旋轉越厲害，回流區(qū)越大，旋轉擴散角也越大，射程越短。§6.6有限空間射流

在射流運動中，由于受壁面、頂棚以及空間的限制，自由射流規(guī)律不再適用，因此必須研究受限后的射流即有限空間射流運動規(guī)律。目前有限空間射流理論尚不完全成熟，多是根據實驗結果整理成近似公式或無量綱曲線，供設計使用。一、射流結構有限空間射流由自由擴張段、有限擴張