第六章-氣體射流課件

第六章

氣體射流

第六章

氣體射流

1基本概念

射流：流體經(jīng)孔口或管嘴流出，流入另一部分流體介質(zhì)中的現(xiàn)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(méi)射流和自由射流。3、依照出流空間對(duì)射流是否有影響，有無(wú)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(zhǎng)短邊之比不大于3：1時(shí)，矩形射流可以迅速發(fā)展成圓形射流；當(dāng)大于10：1時(shí)，為條縫射流，即平面射流。基本概念射流：流體經(jīng)孔口或管嘴流出，流入另一部分流體介質(zhì)中2§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)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(dòng)稱為氣體淹沒(méi)射流，簡(jiǎn)稱為氣體射流。射流與孔口管嘴出流的研究對(duì)象不同。前者討論的是出流后的流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。后者僅討論出口斷面的流速和流量。與管道流動(dòng)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(dòng)，多為紊流射流。

出流到無(wú)限大空間中，流動(dòng)不受固體邊壁的限制，為無(wú)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?！?.1無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征氣3一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征1、射流場(chǎng)的形成由于射流為紊流，橫向脈動(dòng)導(dǎo)致與周圍氣體發(fā)生動(dòng)量交換，從而把相鄰的靜止液體卷吸進(jìn)來(lái)，隨著流程的增加，射流過(guò)流斷面不斷加大，流量不斷增加。一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)§6.1無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征14一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征2、射流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)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(nèi)邊界層和外邊界層。過(guò)渡斷面：即BOE斷面，該斷面以外核心區(qū)消失。起始段：過(guò)渡斷面以內(nèi)，軸心速度均為u0。主體段：過(guò)渡斷面以外。射流半徑R：任意斷面軸線到外邊界的距離。一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)§6.1無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征25二、射流場(chǎng)的特征1.幾何特征

§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征射流外邊界呈直線擴(kuò)散，兩條直線的交點(diǎn)M為極點(diǎn)，兩條直線夾角的一半稱為極角或擴(kuò)散角。

極角與紊流強(qiáng)度和噴口斷面形狀有關(guān)。

—形狀系數(shù)；—紊流系數(shù)。二、射流場(chǎng)的特征1.幾何特征§6.16二、射流場(chǎng)的特征1.幾何特征

§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征或

二、射流場(chǎng)的特征1.幾何特征§6.17二、射流場(chǎng)的特征2.運(yùn)動(dòng)特征

§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)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，而流速逐漸減小；主體段內(nèi)，軸心速度逐漸減小，流速分布圖逐漸扁平化，大量實(shí)驗(yàn)證明，各射流斷面的無(wú)因次速度與無(wú)因次距離具有相似性，即：二、射流場(chǎng)的特征2.運(yùn)動(dòng)特征§6.18二、射流場(chǎng)的特征3.動(dòng)力特征

§6.1

無(wú)限空間淹沒(méi)紊流射流的特征實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)射流范圍內(nèi)，任意一點(diǎn)的壓強(qiáng)等于周圍靜止氣體的壓強(qiáng)，則易知沿軸向任意斷面間的動(dòng)量守恒，即：二、射流場(chǎng)的特征3.動(dòng)力特征§6.19§6.2圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)分析一、主體段由式兩端同除以10§6.2圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析一、主體段

斷面流量:

斷面平均流速:

質(zhì)量平均流速:§6.2圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析一、主體段 斷面流量11二、起始段1.核心區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算2.核心收縮角§6.2圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析二、起始段§6.2圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析12【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(zhì)量平均速度v2，并進(jìn)行比較?！窘狻坎楸淼胊=0.08。

先求核心長(zhǎng)度

，所求截面在主體段內(nèi)。【例】圓射流以Q0=0.55m3/s，從d0=0.3m13從而由主體段計(jì)算公式得分析：由計(jì)算可知主體段內(nèi)的軸心速度vm小于核心速度v0；比較v1、v2可以看出,用質(zhì)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。從而由主體段計(jì)算公式得分析：由計(jì)算可知主體段內(nèi)的軸心速度vm14§6.3

平面射流

氣體從狹長(zhǎng)隙縫中外射運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流在條縫長(zhǎng)度方向幾乎無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，只能在垂直于條縫長(zhǎng)度的各個(gè)平面上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)可視為平面運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特征則完全與圓斷面射流相似。結(jié)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?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散被限定在垂直于條縫長(zhǎng)度的平面上的緣故?！?.3平面射流 氣體從狹長(zhǎng)隙縫中外射運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流在條縫15§6.3

平面射流射流參數(shù)計(jì)算：§6.3平面射流射流參數(shù)計(jì)算：16

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(fēng)空調(diào)工程中，常采用冷風(fēng)降溫，熱風(fēng)采暖，此時(shí)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(chǎng)的分布規(guī)律，同時(shí)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前面研究的射流與周圍氣體溫度和密度相同，因而17一、溫差與濃差射流的特征1.

幾何特征

除常規(guī)射流的動(dòng)量、質(zhì)量交換，溫差射流還存在熱量交換。由于熱擴(kuò)散略快于動(dòng)量擴(kuò)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(shí)際問(wèn)題時(shí)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，認(rèn)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§6.4溫差射流與濃差射流18一、溫差與濃差射流的特征

2.

研究?jī)?nèi)容

濃度擴(kuò)散與溫度相似。在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可以認(rèn)為，溫度、濃度內(nèi)外的邊界與速度內(nèi)外的邊界相同。于是參數(shù)R、Q、vm、v1、v2等可使用前兩節(jié)所述公式，僅對(duì)軸心溫差△Tm

，平均溫差等沿射程的變化規(guī)律進(jìn)行討論。

§6.4溫差射流與濃差射流定義參數(shù)：以足標(biāo)e表示周圍氣體的符號(hào)一、溫差與濃差射流的特征§6.4溫差射流與濃差射流定義參19§6.4溫差射流與濃差射流一、溫差與濃差射流的特征

2.

運(yùn)動(dòng)特征

由試驗(yàn)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(xué)特征

在等壓情況下，射流斷面上相對(duì)焓值流量不變。§6.4溫差射流與濃差射流一、溫差與濃差射流的特征由20二、幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算公式1.軸心溫差

2.質(zhì)量平均溫差§6.4溫差射流與濃差射流二、幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算公式1.軸心溫差2.質(zhì)量平均溫21三、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(gè)射流將發(fā)生向下或向上彎曲。但整個(gè)射流仍可看作是對(duì)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(duì)象，只考慮受重力與浮力作用，應(yīng)用牛頓定律導(dǎo)出公式。三、射流彎曲§6.4溫差射流與濃差射流溫差22

取軸心線上的單位體積氣體為研究對(duì)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(guò)程的氣體狀態(tài)方程可得取軸心線上的單位體積氣體為研究對(duì)象,只考慮重力與浮23§6.4溫差射流與濃差射流三、射流彎曲

因?yàn)?/p>

故§6.4溫差射流與濃差射流三、射流彎曲因?yàn)楣?4利用

，可得由實(shí)驗(yàn)修正,將0.115改為0.355。＝＞§6.4溫差射流與濃差射流由實(shí)驗(yàn)修正,將0.115改為0.355?！?.4溫差射流25

【例題】高出地面5m處設(shè)一孔口d0為0.1m，以2m/s速度向房間水平送風(fēng)。送風(fēng)溫度，室內(nèi)溫度。試求距出口3m處的t2、v2及彎曲軸心坐標(biāo)?！窘狻坎楸淼梦闪飨禂?shù)a=0.08。由，可得從而有【例題】高出地面5m處設(shè)一孔口d0為0.1m，以2m/s速26§6.5旋轉(zhuǎn)射流

氣流通過(guò)具有旋流作用的噴嘴外射運(yùn)動(dòng)。氣流本身一面旋轉(zhuǎn)，一面向周圍介質(zhì)中擴(kuò)散前進(jìn)，稱為旋轉(zhuǎn)射流。一、基本特征

旋轉(zhuǎn)是旋轉(zhuǎn)射流基本特征，旋轉(zhuǎn)使射流獲得向四周擴(kuò)散的離心力。和一般射流比較，擴(kuò)散角大，射程短，射流的紊動(dòng)性強(qiáng)。二、旋轉(zhuǎn)射流的流速分布

旋轉(zhuǎn)射流的速度分解為三個(gè)分量：沿射流前進(jìn)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(yùn)動(dòng)的切向速度vθ§6.5旋轉(zhuǎn)射流 氣流通過(guò)具有旋流作用的噴嘴外射運(yùn)動(dòng)。氣27三、旋轉(zhuǎn)射流壓強(qiáng)分布

旋流器出口的旋轉(zhuǎn)射流中心壓力低于大氣壓強(qiáng)的，隨著旋轉(zhuǎn)射流沿軸向前進(jìn)，靜壓強(qiáng)p越來(lái)越接近pa.旋轉(zhuǎn)射流中心由于低于大氣壓強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的卷吸能力。§6.5旋轉(zhuǎn)射流四、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度表征旋轉(zhuǎn)射流的特性。其值越大，旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)越厲害，回流區(qū)越大，旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散角也越大，射程越短。三、旋轉(zhuǎn)射流壓強(qiáng)分布 旋流器出口的旋轉(zhuǎn)射流中心壓力低28§6.6有限空間射流

在射流運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前有限空間射流理論尚不完全成熟，多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成近似公式或無(wú)量綱曲線，供設(shè)計(jì)使用?！?.6有限空間射流 在射流運(yùn)動(dòng)中，由于受壁面、頂棚以及29一、射流結(jié)構(gòu)有限空間射流由自由擴(kuò)張段、有限擴(kuò)張段、收縮段組成§6.6有限空間射流一、射流結(jié)