第十章-湍流射流

第十章湍流射流湍流射流的一般属性圆断面射流平面射流温差射流与浓差射流旋转射流湍流射流的一般属性根据射流中流体流态分层流射流湍流射流根据射流与射入空间的流体是否相同分淹没射流非淹没射流根据射流周围边界情况分自由射流（无限空间射流）非自由射流（有限空间射流）一、射流的分类根据射流出流后继续运动的动力分动量射流（简称射流）浮力羽流浮射流（浮力射流）根据出口断面形状分圆断面射流平面射流矩形射流二、湍流射流的形成射流边界层的宽度远小于射流的长度在射流边界层的任何阿横断面上，，横向分速度远比纵向（轴向）分速度小得多，可以认为，射流速度就等于纵向速度。整个射流区内压强值不便。射流主体段各断面上横向流速分布具有相似性。射流各断面上动量守恒。三、湍流射流的特性起始段核心速度点速度yvvyyyyyyvvvbc0109050000...25.125.1]1[])(1[Ryvvmy：所求的点到轴心的距离R：边界层的厚度Vm：轴心速度同截面上轴心点的速度点的速度截面上点至轴心的距离同截面上的距离截面上任意一点至轴心yv50m50mvvvyym..主体段y：所求的点到内边界的距离R：边界层的厚度Vm：vm＝v0湍流射流的一般属性运动特征对于孔口的出口处：动量为：202000vrvQ对于任意截面的动量可以取一个微环进行积分：ydyvydyvvdAvdQvR20222ydyvvrvQR202020002动力特征圆断面射流mv0mvv一、轴心速度起始段主体段222000002RQvrvvrdr21.522()[(1)]mrvRv212001.501121mvRvRd2121.5010.0464d00.966mvv0.078其中，∴000.2943.769ssRR式中：由于射流的卷吸和混掺作用，射流的断面流量沿流向逐渐增加。断面流量与喷口流量之比：002000000022RRRvrdrqvrrdqRvvRR二、断面流量00mmvvvvvv00rrRRRR222111.50000000221mmmvvqRvrrRddqvRvRRvR又得0013.4RsRR211.51010.0985dB002.20.2942.2qsqR02.2qq式中：整理可得:或2PqvRPv00.190Pvv三、断面平均流速以表示：0.1970.2PmmvvvZv00.455Zvv四、质量平均流速定义：以质量平均流速乘以流量即得单位时间通过该断面得流体所具有得动量。01:::0.966:0.455:0.190:mZPvvvv五、初始段长度00.672TRs表明：圆断面射流的初始段长度和喷口的直径成正比，与射流特性系数成反比。tan1.488TRs六、核心区收缩角圆柱喷管喷出的射流6.62平面射流平面射流的研究方法与前面讨论的圆孔射流是一样的。平面射流的几何特征、运动特征以及动力特征完全同圆断面射流相似，所得的公式列于表10－2中，只不过公式中的B0为条缝的半高，在使用时要注意。温差射流与浓差射流在质量交换和热量交换中，热量的扩散比动量的扩散要快一些，因此，温差射流的边界层要比速度边界层厚一些，由于相差不大，在实际应用时就把温度场，浓度场的内外边界同速度场的内外边界重合在一起了，即认为他们的扩张情况一样，几何特性相同。])(1[5.1RyvvxxTTmmm其中：下标m为轴心参数，e为环境参数。emmeemmexxxxxxTTTTTT动力特性：扩张区域同静止气体交换动量，由于各个截面静压相等，因此，动量守恒，运动的气体把动量给了静止的气体，使原来静止的气体运动起来，实际上又回到了射流中。热力特性：扩张区域同静止气体交换热量，由于过程为等压过程，由热力学的知识可知，Q＝ΔH-VdP即交换的热量等于运动区域与静止区域的焓差，因此，热力特性为焓差守恒。运动的气体把热量给了静止的气体，使原来静止的气体温度升高又回到了射流中。TdQCTCQ00一、轴心温差ΔTm294.0706.000rasTTm二、质量平均温差ΔT2TTasr200045450294..三、起始段质量平均温差ΔT220002)(32.176.011rasrasTT四、射流弯曲近似的方法：取轴心线上的单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力与浮力作用，应用牛顿定律导出公式。有一热射流自直径为d的喷嘴喷出，射流轴线与水平线成a角，现分析弯曲轨迹。对图中的A点即为轴心线上单位体积射流，其上所受重力为ρmg，浮力为ρeg0，总的向上合力为（ρe－ρm）g。根据牛顿定律：F＝ρm·j→（ρe－ρm）g＝ρm·jgjmme式中j为垂直方向上的的加速度jdtudtyddtdujyy22dtgdtyjdtdtdtuymey)1(气体在等压过程的状态方程为ρT＝constemmeTTemeememmeTTTTTTTTT0011将轴心温差转换为轴心速度关系，应用前面介绍的温差和速度的计算式，可得：294.0706.000rasTTm294.0966.000rasvvm)(73.0)(965.0706.0000vvvvTTmmmdtvdtTTvggdtTTvvdtyTTvvmeememme0000007307307301.)(.)(.emeememmeTTTTTTTTT0011)(73.0)(965.0706.0000vvvvTTmmmsdsvvvvdssdtdtdsvdsdtvdtdtdsvmmmmm001再用vm/v0倒数代入，且一并代入y’的计算式，得：)..(...2302000021102510965029407300ssraTvTgsdsrasTTvgyee将0.11改为0.35以符合实验数据)..(2302003502510ssraTvTgyes＝x/cosa，且以喷嘴直径d0除之，便得出无因次的轨迹方程为：).cos.()cos)((350510020200000dasdxTvTgdtgdxdye阿基米德准则数的物理意义为：射流浮升力的大小。它是非等温射流的重力相似性准则。上式变为：).cos.()cos(35051002000dasdxArtgdxdy对于平面射流：00202,2)205.0(226.025bxxbyyxaaTTAryeArTvTgde2000称为阿基米德准则数，令：旋转射流定义：流体在喷出前就被强制旋转，喷出后脱离了固体壁面的约束，在无限大空间处于静止的介质中继续流动。w(切向速度)wx(轴向速度)wr(径向速度)⒈旋转射流的特性⑴存在一个回流区：实线wx虚线w在轴心处wx0，回流区边界上wx=0，回流区边界与射流边界(wx=0)之间wx有一最大值wmax，x，wmax，wx分布趋于平坦均匀，回流区变小直到消失。⑵速度沿程衰减快wx、w、wr轴心速度wm。5xdyww、当以后，基本消失，只有存在xw⑶射流中心有很强的卷吸力射流轴线上的静压力低于大气压力(负压)，说明旋转射流中心有很强的卷吸作用，x，静压力大气压力，卷吸作用。⒉旋流强度⑴旋流强度的定义及计算定义：表明旋流设备所产生旋转射流特性的几何特征数，用S表示。G角动量矩；Gx轴向推力；R喷口半径。r1内径；r2外径；tg旋转角。⑵旋流强度对旋转射流的影响①对速度场的影响S，卷吸量，紊流扩散强，消耗的能量，速度衰减快。改变S改变气流的速度分布和调节焰的长度。S，火焰短，温度较高；S，火焰长，温度分布均匀。②对回流区的影响S，回流区尺寸，稳定火焰的手段。叶片式旋流喷咀的旋流强度tg31132S21rr)(21rr)(2以S来区分旋转射流的状态，一般认为:射流射向限制空间—限制射流特点：回流区、旋涡区无旋流？0w=rot=弱旋流强旋流自由射流无旋流60S60S0S..