流体力学-06气体射流

12020/4/5第六章气体射流§6–1无限空间淹没紊流射流的特征§6–2圆断面射流的运动分析§6–3平面射流§6–4温差或浓差射流§6–6有限空间射流22020/4/5气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态，叫做紊流射流。工程上所应用的射流，多为气体紊流射流。射流讨论的是出流后的流速场、温度场和浓度场。射流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。第六章气体射流32020/4/5§6-1无限空间淹没紊流射流的特征现以无限空间中圆断面紊流射流为例，讨论射流运动。气流自半径为R的圆断面喷嘴喷出。出口断面上的速度认为均匀分布，皆为u0值，且流动为紊流。取射流轴线Mx为x轴。由于射流为紊流型，紊流的横向脉动造成射流与周围介质之间不断发生质量、动量交换，带动周围介质流动，使射流的质量流量、射流的横断面积沿x方向不断增加，形成了向周围扩散的锥体状流动场，如图6—1所示的锥体CAMDF。42020/4/5起始段主体段核心边界层xs0s0xoMADBCEF图6—1射流结构紊流射流的结构及特性。52020/4/5一、过流断面（又称转折断面）起始段及主体段刚喷出的射流速度仍然是均匀的。沿x方向流动，射流不断代入周围介质，不仅使边界扩张，而且使射流主体的速度逐渐降低，速度为u0的部分（如图其6—1AoD锥体）称为射流核心，其余部分速度小于u0称为边界层。射流边界层从出口开始沿射程不断地向外扩散，带动周围介质进入边界层，同时向射流中心扩展，至某一距离处，边界层扩展到射流轴心线，核心区域消失，只有轴心上速度为u0。射流这一断面为图6—1上的BoE,称为过渡断面或转折断面。以过渡断面分界，出口断面至过渡断面称为射流起始段。过渡断面以后称为射流主体段。62020/4/5二、紊流系数a及几何特征射流外边界层是一条直线，如图6—1上的AB及DE线。AB、DE延至喷嘴内交于M点，此点称为极点，的一半称为极角,又称扩散角。AMDtan=3.4a(6-1)KxKax式中K—试验常数；—喷口形状系数，圆形喷嘴，＝3.4；a—紊流系数，由实验决定，是表示射流流动结构的特征系数。Bo为圆断面射流截面的半径R（或平面射流边界层的半宽度yb）。它和从极点起点算的距离成正比，即Bo＝Kx。oM是从极点起算的x距离。由图看出，Bo/oM=tana,故72020/4/5紊流系数a与出口断面上紊流强度有关，紊流强度越大，a值也大，使射流扩散角a增大，被带动的周围介质增多，射流速度沿程下降加速。a还与射流出口断面上速度分布的均匀性有关。各种不同形状喷嘴的紊流系数和扩散角的实测值列表6—1。紊流系数表6—1喷嘴种类带有收缩口的喷嘴圆柱形管带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管2喷嘴种类2071.0066.008.0076.020.012.00127022500002900368034400带金属网格的轴流风机收缩极好的平面喷口平面壁上锐缘狭缝具有导叶且加工磨圆边口的风道上纵向缝155.0118.0108.024.00241013203290478000082020/4/5000.000113.43.4(0.294)/tanxsRssasrxrrr由（6—1）式可知，a值确定，射流边界层的外边界线也就被确定，射流即按一定的扩散角a向前作扩散运动，这就是它的几何特征。应用这一特征，对圆断面射流可求出射流半径沿射程的变化规律。0000000.0//3.4()3.4/1/tanxrsrxsRxsaxrxr006.8(0.147)Dasdd03.4(62)Rras—92020/4/5大量实验研究表明，射流各截面上速度分布具有相似性。三、运动特征102020/4/5112020/4/5122020/4/5132020/4/5142020/4/5特留彼尔主体段内无因次距离与无因次速度的取法规定：在上式中，0.5vm点表示速度为轴心速度的一半之处的点。阿勃拉莫维奇整理起始段时，所用无因次量为152020/4/5用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布如下：）—（36])(1[25.1Rym经过这样整理使得出书中图6—3b。可以看到原来各截面不同的速度分布曲线，经过这样变换均成为同一条无因次分布线。这种同一性说明．射流各截面上速度分布的相似性。这就是射流的运动特征。Ry3a)(6]1[25.1—m令由此得出y/R从轴心或核心边界到射流外边界的变化范围为01。从轴心或核心边界到射流边界的变化范围为10。m/162020/4/5四、动力特征实验证明，射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。现取6-5中1-1、2-2所截的一段射流脱离体，分析其上受力情况。因各面上所受静压强均相等，则x轴外力之和为零。据动量方程可知，各横截面上动量相等—动量守恒，这就是射流的动力学特征。以圆断面射流为例应用动量守恒原理出口截面上动量流量为，任意横截面上的动量流量则需积分。02000rQ20022RRydyydy2220002(6-4)Rrydy列动量守恒式172020/4/5M0xsxyyxrRyy1122Ryydy图6-5射流计算式的推证182020/4/5§6-2圆断面射流的运动分析现在根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度，流量Q沿射程s（或x）的变化规律。一、主体段轴心速度mRydyr0220202除两端，得：以22mR)()(2)(1022020RydRyRrmm）（代入，则＝）应用式（25.1])(1[316Rym210225.1d])[(1B应用式6-4192020/4/5按前述及的变化范围，B2的数值列于表6—2。RymnnBnC15.125.230985.03845.0064.03065.00464.02585.00359.02256.00286.02015.0值和nnCB表6—2dCdBnmnnmn1010)()(202020/4/562R再将射流半径沿程变化规律（—）式代入，得0000.9650.48(65)0.2940.147masasrd0464.022)(22020BRrm）于是（Rrm0028.3212020/4/5二、起始段核心长度及核心收缩角ns000.6710.671nnnrsssara，01.49nrtgasns起始段核心长度核心收缩角由式（6-2-1），将vm=v0，s=sn，代入222020/4/5三、主体段断面流量Q取无因次流量，)()()(22000002000rydryrydyQQsrRR代换＝再用0000;rRRyrymm)()()()(2102000RydRyrRQQmm查表6-2，B1=0.0985;再将（6-1-2），（6-2-1）式代入）（226)147.0(4.4)294.0(2.2000dasrasQQ232020/4/5无因次断面平均流速为：2000001)(RrQQAQQA将（6—1—2），（6—2—2）式代入得3)2(6147.0095.0294.019.00001——dasras四、主体段断面平均流速1242020/4/5五、主体段质量平均流速v2质量平均流速定义为：用乘以质量即得真实动量。列出口截面与任一横截面的动量守恒式：2200QQ比较（6—2—1）与（6—2—4）式，。因此用代表使用区的流速要比更合适。但必须注意，、不仅在数值上不同，更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。m47.0221124)2(64545.0147.023.0294.04545.000002——xadasrasQQ252020/4/5解由表6—1查得a＝0.12。用（6—2—1）式/sm7.2610)6.0(445.9445.945.945.9147.24.4)147.0(4.4m/s25.210225.0225.0225.0147.06.01012.048.0147.048.032020000000dQQdasQQdasmm例6—1用轴流风机水平送风，风机直径d0=600mm。出口风速10m/s,求距出口10m处的轴心速度和风量。262020/4/5六、起始段核心长度及核心收缩角ns000.6710.671nnnrsssara，01.49nrtgasns起始段核心长度核心收缩角由式（6-2-1），将vm=v0，s=sn，代入272020/4/52000010.761.32QQQasasQQrr七、起始段流量经计算化简得整个截面上流量为：282020/4/52001200010.761.3216.811.56asasrrvvasasrr022000110.761.32QvvQQasasrr八、起始段断面平均流速九、起始段质量平均流速292020/4/5§6-3平面射流气体从狭长缝隙中外射运动时，射流只能在垂直条缝长度的平面上扩散运动。如果条缝相当长，这种流动可视为平面运动，故称为平面射流。平面射流喷口高度以2b0（b0半高度）表示，a值见表6-1后三项；j值为2.44，于是tana＝2.44a。而几何、运动、动力特征则完全与圆断面射流相似。所以各运动参数规律的推导基本与圆断面类似，这里不再推导，列公式于表6-3中。302020/4/5射流参数的计算表6—3段名主体段参数名称序号圆断面射流平面射流扩散角射流直径或半高度流量断面平均流速质量平均流速轴心速度aDdmQ12a4.3tan)147.0(8.600dadDs147.048.000dasm)147.0(4.400dasQQ147.0095.0001das147.023.0002das44.2tan)41.0(44.200basbb41.02.100basm41.02.100basQQ41.0492.0001bas41.0833.0002bas312020/4/5起始段流量断面平均流速质量平均流速核心长度喷嘴至极点距离收敛角Q12ns0x2000)(32.176.01rasrasQQ20020001)(56.118.61)(32.176.01rasrasrasras20002)(32.176.011rasrasarsn0672.0arx00294.0a49.1tan0043.01basQQ000144.2143.01basbas00243.011basabsn003.1abx0041.0a97.0tan322020/4/5§6-4温差或浓差射流在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，这时就要用温差射流。将有害气体及灰尘浓度降低就要用浓差射流。所谓温差、浓差射流就是射流本身的温度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。温差或浓差射流分析，主要是研究射流温差、浓差分布场的规律。同时讨论由温差、浓差引起射流弯曲的轴心轨迹。在射流的形成过程中，会产生横向动量交换，旋涡的出现，使之质量交换，热量交换，浓度交换。在这些交换中，热量扩散比动量扩散要快些，因此温度边界比速度边界层发展要快些厚些，如图6-6所示。实线为速度边界层，虚线为温度边界层的内外界线。332020/4/5浓度扩散与温度相似，在实际应用中，为了简化起见，可以认为，温度、浓度内外的边