紊流射流與紊流擴(kuò)散.ppt

1、第八章 紊流射流與紊流擴(kuò)散,紊流射流是指流體自孔口、管嘴或條縫向外界流體空間噴射所形成的流動，流動狀態(tài)通常為紊流。,自由射流：射流射出后完全不受外界固體邊壁的限制,受限射流：射流射出后多少受到外界固體邊壁的限制,淹沒射流：射流周圍物質(zhì)的物理性質(zhì)與射流本身相同,非淹沒射流：射流周圍物質(zhì)的物理性質(zhì)與射流本身不同,主要討論淹沒的自由紊流射流,擴(kuò)散（Diffusion）： 流體中含有的物質(zhì)或流體本身的屬性由于分子無規(guī)則運(yùn)動（分子擴(kuò)散Molecular Diffusion ）和流體微團(tuán)的紊動（紊流擴(kuò)散Eddy Diffusion ）而輸送或傳遞到另一部分流體中去的現(xiàn)象。 擴(kuò)散的量可以是標(biāo)量如鹽分或污染物

2、、泥沙濃度、溫度等；也可以是矢量，如動量。,第一節(jié) 自由射流的結(jié)構(gòu)與特征,以半徑為R的圓斷面噴嘴射流為例討論,一、射流的結(jié)構(gòu),起始段,過渡斷面,主體段,二、射流的基本特征,1. 幾何特征,射流按一定的擴(kuò)散角向前作擴(kuò)散運(yùn)動 ，射流外邊界近似為直線。,圓斷面射流,a為紊流系數(shù)，大小與出口斷面上紊流強(qiáng)度有關(guān),圓斷面射流半徑R(或射流直徑D)沿程的變化規(guī)律 ：,2.運(yùn)動特征,無論主體段或起始段內(nèi)，同一斷面上軸心速度um最大，至邊緣速度逐漸減小至零。 距噴嘴距離越遠(yuǎn)處邊界層厚度越大，主體段軸心速度則越小，速度分布曲線越扁平化。 射流各截面上速度分布具有相似性。,半經(jīng)驗(yàn)公式,3. 動力特征,射流各截面動量

3、守恒 （出口橫截面上動量等干任意橫截面上動量）,第二節(jié) 圓斷面射流的運(yùn)動分析,一、軸心速度um（主體段）,二、斷面流量Q （主體段）,三、斷面平均流速v1 （主體段）,四、質(zhì)量平均流速 v2 （主體段）,五、起始段核心長度sn及核心收縮角、起始段流量 Q、起始段斷面平均流速 v1、起始段質(zhì)量平均流速 v2,第三節(jié) 溫差射流與濃差射流,所謂溫差、濃差射流就是射流本身的溫度或濃度與周圍氣體的溫度或濃度有差異。,一、溫差射流的基本特征,溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展的要快些厚些，實(shí)際應(yīng)用中為簡化起見，可以認(rèn)為溫度內(nèi)外的邊界與速度內(nèi)外的邊界相同。于是參數(shù)R、Q、um、v1、v2均可使用前述公式。,1、幾何

4、特征、運(yùn)動特征和動力特征,2. 溫差分布特征,3. 熱力特征,在等壓的情況下，以周圍氣體的焓值作為起算點(diǎn)，射流各橫截面上的相對焓值不變。,射流出口斷面的焓值等于任意斷面的焓值,二、圓斷面溫差射流運(yùn)動分析（自學(xué)）,主要研究溫差的分布規(guī)律以及射流彎曲的軸心軌跡。,三、濃差射流分析（自學(xué)）,與溫差射流分析完全相似，以濃度x代替溫度T，以濃差x代替溫差 T 。,第四節(jié) 紊流擴(kuò)散的基本方程,一、分子擴(kuò)散基本方程,費(fèi)克（Ficks）第一定律：單位時間通過單位面積的溶解物質(zhì)量（單位通量）與溶質(zhì)濃度在該面法線方向的梯度成正比,式中 F溶質(zhì)在法線方向的單位通量； c為溶質(zhì)的濃度； Km溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)； “-”號

5、表示溶質(zhì)擴(kuò)散方向與濃度增值方向相反。,在運(yùn)動流體中，不僅有分子擴(kuò)散，還伴隨有運(yùn)動流體攜帶而造成的物質(zhì)遷移 （移流輸送），若不存在紊動擴(kuò)散，則擴(kuò)散物質(zhì)通過任一斷面的通量應(yīng)為分子擴(kuò)散輸送與移流輸送之和。,書p231移流擴(kuò)散方程的控制體,dt時間內(nèi)沿x方向流進(jìn)與流出的物質(zhì)差值為,沿y方向,沿z方向,根據(jù)質(zhì)量守恒原理，dt 時間內(nèi)凈流入控制體的物質(zhì)量應(yīng)等于控制體中因濃度變化而增加的物質(zhì)量。,擴(kuò)散通量等于移流輸送與擴(kuò)散輸送之和,費(fèi)克擴(kuò)散方程（擴(kuò)散物質(zhì)的連續(xù)性方程）,在靜止流體中 ，,費(fèi)克第二定律,二、紊流擴(kuò)散基本方程,若流態(tài)為紊流，流速與濃度都會出現(xiàn)隨機(jī)的脈動現(xiàn)象。,代入費(fèi)克擴(kuò)散方程中再各項(xiàng)取時平均,是紊動擴(kuò)散引起的單位通量,類比費(fèi)克第一定律 ，則有,分別為三個坐標(biāo)軸方向的紊動擴(kuò)散系數(shù),考慮分子擴(kuò)散遠(yuǎn)比紊流擴(kuò)散慢，通?？梢院雎?三、擴(kuò)散方程的求解,無論是分子擴(kuò)散方程還是紊流擴(kuò)散方程，都是二階偏微分方程。,拋物線型偏微分方程本身