流体力学课件6气体射流.ppt

6.1无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流流体经孔口或管嘴流出，流入另一部分流体介质中的流动现象，称为射流。在供热通风与空调工程中，对所遇射流可进行如下简单分类。依照射流的流体种类，有气体射流和液体射流。按射流与射流流入空间的流体是否同相，有淹没射流和自由射流。按照出流空间大小、对射流的流动是否有影响，有无限空间射流和有限空间射流。当流动空间很大，射流基本不受周围固体边壁的影响，称为无限空间射流。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流1按照喷口形状，又可分为圆射流、矩形射流和条缝射流。圆形射流是轴对称射流。如矩形喷口的长短边之比（a：b）不超过3：1时，矩形射流能够迅速发展为圆形射流，只需要根据当量直径，就可采用圆形射流公式进行计算。当矩形喷口长短边之比超过10：1时，就属于条缝射流，条缝射流又称为平面射流。按照射流的流态，有层流射流和紊流射流。气体淹没射流的流态一般都是紊流，层流射流几乎是不存在的。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流2本节讨论无限空间气体紊流淹没射流，简称气体紊流射流。这里需要指出的是，射流与周围气体温度相同。本节主要研究气体紊流射流的运动规律。6.1.1.1 射流的形成与结构射流的形成与结构现以无限空间中圆形断面紊流射流为例，分析射流的运动情况。图6.1 射流的结构当气体从孔口或管嘴以一定的流速喷出后，由于射流为紊流流态，紊流的横向脉动造成射流与周围气体发生动量交换，从而把相邻的静止流体卷吸到射流中来，两者一起向前运动，于是射流的过流断面沿程不断扩大，流量不断增加。6.16.1.1 .1 气体紊流射流的基本特性气体紊流射流的基本特性气体紊流射流的基本特性气体紊流射流的基本特性6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流3图图6.1 射流的结构射流的结构6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流4 射流的动量交换和卷吸作用是从外向内逐渐发展的，在距喷口断面距离较短的范围内，射流中心的气体还没来得及与周围气体相互作用，仍保持原喷口流速的区域，称为射流核心，如图6.1所示的AOD部分。而射流核心以外的区域流速小于v0，称为边界层。由于卷吸的不断加强，参与动量交换的气体数量不断增加。射流边界层的范围从喷口沿射流方向不断扩大，射流核心区沿程不断减小，如图所示到达距喷口sn处，也就是断面BOE处，边界层扩展到射流轴心，射流核心消失，这个断面称为过渡断面或临界断面。以过渡断面为界，从喷口到过渡断面称为射流的起始段。过渡断面以后的射流称为射流主体段。起始段射流轴心的速度都为v0，而主体段轴心速度沿x方向不断下降。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流56.1.1.2 射流的特征射流的特征根据实验，紊流射流的基本特征主要表现在以下三个方面：（1）几何特征）几何特征无限空间淹没紊流射流由于不受周围固体边壁的影响，从图6.1可以看出，射流的外边界呈直线状扩散，两条边界线ABC与DEF延长交于喷口内M点，该点称为射流的极点。两边界线夹角的一半称为射流的极角或扩散角，以符号表示。从喷口轴心延长的x轴方向为圆断面射流的对称轴，射流任一断面的轴心到边界线的距离为该截面的半径R（对平面射流称为半高度b）。射流的任一断面的半径(或半高度)与该断面到极点的距离成正比。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流6射流极角的大小与紊流强度和喷口断面的形状有关，可用下式计算 （式6.1）式中 射流的极角；a紊流系数，该值取决于喷口结构形式和气流经过喷口时受扰动的程度；K喷口形状系数，也叫试验系数，对圆形喷口K=3.4(对矩形喷口只要喷口长短边比不超过3：1时，也可以按圆形喷口计算)；对条缝形喷口K=2.44。从上式可以看出，射流极角的大小取决于紊流系数，紊流强度越大，射流卷吸能力越强，被带入射流的周围气体数量越多，扩散角也相应增大。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流7表6.1中列出了常用喷口的紊流系数和相应的扩散角。表表6.1 常用喷口的紊流系数、扩散角常用喷口的紊流系数、扩散角 6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流8当扩散角确定后，射流边界相应也被确定，因此射流只能以这样的扩散角作扩散运动。即射流各断面的半径(对平面射流为半高度)是成比例的，这就是射流的几何特征。根据这一特征，就可以计算圆断面射流各断面半径沿射程的变化规律，对照图6.1有以直径表示（式式6.2）6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流9（2）运动特征）运动特征由于紊流射流质点的横向脉动，使射流的质点与周围气体发生动量交换，从而把周围气体带入射流，随同射流一起向前运动。这种卷吸作用会造成射流各断面的半径和流量随射程的逐渐增大而增大，而流速逐渐减小。在射流主体段各断面流速分布也不相同，沿射流流程，轴心流速逐渐减小，流速分布图扁平化，这是射流和管道流动的不同之处。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流10就整个射流而言，沿射程各断面上的流速沿程不断衰减，但卷吸进来的流体与射流气体之间的动量交换强度是从外向内逐渐减弱，因此各断面轴心处的流速为最大，从轴心向外，流速由最大值逐渐减小到零。因此各断面流速分布虽然不同，但对大量实验所得数据的无因次化整理，找出了射流主体段各断面的无因次速度与无因次距离之间具有同一性。在这里无因次速度，是指射流横断面上任意一点流速u与同一断面上轴心流速um的比值，即6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流11而无因次距离，是指上述射流横断面上任意一点到轴心的距离y与同一断面上射流半径R的比值，即 射流主体段任一断面的无因次速度和无因次距离之间具有这样的相似性 上式表明各断面速度分布虽不相同，但各断面的无因次速度分布规律是相同的。主体段任一断面上从轴心到外边界各点的流速与断面轴心流速之比的变化规律是从10，而相应各点到轴心的距离与该断面半径之比的变化规律是从01。根据这样的规律，只要知道所求断面到喷口的距离，利用几何相似的原理求出该断面的半径，然后只需求出该断面轴心的流速，就可利用上式求出该断面任意一点的气流速度。(式式6.3)6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流12（3）动力特征）动力特征实验表明，在整个射流范围内，任意一点的压强等于周围静止气体的压强。如果任取两横断面间的射流为控制体，分析作用在其上的所有外力，因各断面上所受静压强均相等，则控制体上所有的外力之和等于零。因此，根据动量方程式可以导出，单位时间内射流各横断面上的动量相等。这就是气体紊流射流的动力特征。它是理论上推导射流各运动参数计算公式的主要依据。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流13 根据射流的结构，射流沿射程可以分为起始段和主体段两部分。表表6.2 射流主体段参数计算公式射流主体段参数计算公式 6.16.1.2 .2 射流主体段运动参数的计算射流主体段运动参数的计算射流主体段运动参数的计算射流主体段运动参数的计算6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流14圆截面射流中的运动参数有如下几个：um射流主体段任意一断面轴心流速，m/s；v0射流喷口气流流速，m/s；a紊流系数；s所求断面到喷口的距离，m；d0喷口的直径，m；Q射流主体段任一断面的流量，m3/s；Q0射流喷口的出流量，m3/s；v1射流主体段断面上各点流速的算术平均值，m/s；v2质量平均流速，m/s。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流1516由于v10.2 um，说明断面平均流速仅为同断面轴心流速的20，而在实际工程中使用的往往是靠近轴心的射流区。由于断面平均流速与轴心流速相差较大，工程中若按断面平均流速进行设计和计算，就会导致有关设备(如风机)过大，造成不应有的浪费。所以用v1不能恰当地反映被使用区的速度。为此引入质量平均流速v2，其定义为：用v2乘以质量流量Q，即得单位时间内射流任意一断面的动量。这时v20.47 um，因此用v2代表使用区的流速要比使用v1更合适。但必须要注意，v1、v2不仅在数值上不同，更重要的是定义上有根本区别，所以不可混淆。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流17从圆形喷口或矩形喷口喷出的射流，是以喷口轴心延长线为对称轴的圆截面轴对称射流。但当矩形喷口长短边之比超过10：1时，从喷口喷出的射流只能在垂直长度的平面上作扩散运动。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。平面射流的喷口高度以2b0(b0为喷口半高度)表示，紊流系数a值见表6.1或查阅通风空调设计手册相关内容。条缝形喷口的形状系数=2.44。在平面射流的计算公式中b0是条缝喷口的半高度，其余各参数的意义都与圆截面射流相同。【例题【例题6.1】锻工车间装有空气淋浴（即岗位送风）设备，已知送风口距地面的高度为4.5m，选择的风口为带有栅栏的圆形风口。要求离地面1.5m处造成一个空气淋浴作用区，该区直径为2m，中心处流速为2m/s。试求风口直径、出口流速及送风量。6.1 无限空间淹没紊流射流无限空间淹没紊流射流186.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲在前几节研究的射流与周围气体的温度和密度是相同的。所以射流轴线与喷口流速v0的方向相同，形成一条直线，这种射流称为等温射流。但在供热通风与空调工程中，涉及到的射流往往与周围流体存在着温度差或所含固体颗粒及其他物质的浓度差，这类射流称为温差射流或浓差射流。夏天向房间输送冷空气降温，冬天向房间输送热空气取暖，这是温差射流的实例。向含尘浓度高或散发大量有害气体的生产车间输送清洁空气，用以降低粉尘或有害气体的浓度，改善工作区的环境，则属浓差射流。6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲19与周围气体存在温度差或浓度差的射流，当从喷口高速喷出后，由于紊流质点运动的横向掺混，射流除了与周围气体发生动量交换之外，还存在着热量交换和浓度交换。对于温差射流，热量交换的结果，使原来温度较低的气体，温度有所升高，而原来温度较高的气体，温度有所下降。所以射流各断面上的温度分布是不同的，同理，射流各断面上的浓度分布也不同，这将使射流内出现温度或浓度的不均匀连续分布。在供热通风与空调工程中出现的温度差或浓度差一般都不大，引起的密度变化很小，在分析中仍可按不可压缩流体处理，也不考虑异质的存在对流动的影响。6.26.2.1 .1 温差或浓差射流温差或浓差射流温差或浓差射流温差或浓差射流6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲20温差或浓差射流中所要研究的参数。对温差射流：对温差射流：T射流任意断面上任意一点的温度，K；T0喷口处射流的温度，K；Tm射流任意一断面轴心处的温度，K；Te周围空气的温度，K。对浓差射流：X射流任意断面上任意一点某种物质的浓度，mg/l或g/m3；X0喷口处射流某种物质的浓度；Xm射流任意一断面轴心处某种物质的浓度；Xe周围空气中某种物质的浓度。6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲21根据以上参数我们要掌握其温度差或浓度差的变化规律。相应的温度差和浓度差为：对温差射流：对温差射流：出口断面温度差 T0=T0-Te 轴心温差 Tm=Tm-Te射流任意一断面上任意一点的温差 T=T-Te 对浓差射流：对浓差射流：出口断面浓差 X0=X0-Xe 轴心浓差 Xm=Xm-Xe射流任意一断面上任意一点的浓度差 X=X-Xe 6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲22尽管温差射流中各断面的温度分布有所不同，但是根据热力学可知，在射流压强相等的条件下，如果以周围气体的焓值为基准，则射流各横截面上的相对焓值不变。温差射流的这一特点，称为射流的热力特征。通过实验证明，在射流主体段内，各横截面上的温差分布、浓差分布与流速分布之间，存在如下关系温差射流与浓差射流虽是两种完全不同的射流，但它们在各横截面上的温差分布与浓差分布与在第三节讨论的无因次流速和无因次距离的函数关系却是相同的，这表明这两种射流的运动规律相似。这是由于温差射流和浓差射流在其本质上没有区别，即这两种射流都与周围气体的密度不同。(式式6.4)6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲23表表6.3 温差、浓差射流主体段的计算公式温差、浓差射流主体段的计算公式 6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲24续表续表6.36.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲25由于温差射流和浓差射流 的密度与周围气体密度不 同，射流在运动过程中，所受重力与浮力不平衡，导致射流在流动过程中会 发生向上或向下的弯曲。也就是说温差或浓差射流 的轴心线不再是一条与喷口轴线方向相同的直线，而是一条曲线。但整个射流仍可看作对称于轴心线。为了能利用前面介绍的公式计算射流沿射程的运动参数及温差或浓差的变化规律，就必须了解射流轴心线的偏移量或它的轨迹。图图6.2 射流轴线的弯曲射流轴线的弯曲6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲26根据理论推导和实验证明，圆截面温差与浓差射流的轴线偏移量，可按下式计算 (式6.5)式中 y射流轴线上任意一点偏离喷口轴线的垂直距离，m；见图6.2；d0射流喷口的直径，m；a紊流系数；s射流计算断面到喷口的距离，m；Ar阿基米德数，是一个无因次量。6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲27对圆截面温差射流，阿基米德数可按下式计算 （式6.6）对于圆断面浓差射流 （式6.7）式（6.6）和式（6.7）中的符号意义同前。在平面射流的公式中 为射流喷口的半高度。但在计算阿基米德数Ar时，应以2b0代替d0代人相应公式中进行计算。将射流弯曲的结果也汇于表6.3中以便查询和计算。6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲28【例题【例题6.2】工作区质量平均风速要求2m/s，工作面直径3m，采用带导叶的通风机水平送风，已知送风温度为12，车间空气温度为32，若要求工作区的质量平均温度降到25，试计算 （1）送风口的直径及气流速度；（2）送风口到工作面的距离；（3）射流轴线在工作面的偏移量。6.2 温差或浓差射流及射流弯曲温差或浓差射流及射流弯曲29