第六章 氣體射流

1、 基本概念基本概念 射流射流：流體經(jīng)流體經(jīng)孔口或管嘴孔口或管嘴流出，流出，流入流入另一部分流體另一部分流體介質(zhì)中的現(xiàn)象。介質(zhì)中的現(xiàn)象。 射流射流的的分類：分類： 1 1、依照、依照流體流體的的種類種類，有，有氣體射流氣體射流和和液體射流液體射流。 2 2、依照、依照射流條件射流條件，有，有淹沒射流淹沒射流和和自由射流自由射流。 3 3、依照、依照出流空間出流空間對(duì)射流是否有影響，有對(duì)射流是否有影響，有無(wú)限空間射流無(wú)限空間射流和和 有限空間射流有限空間射流。 4 4、依照、依照射流射流流態(tài)，有流態(tài)，有層流射流層流射流和和紊流射流。紊流射流。 5 5、依照、依照噴口噴口形狀，有形狀，有圓形射流圓形

2、射流、矩形射流矩形射流和和條縫射流條縫射流。 如如矩形噴口矩形噴口長(zhǎng)短邊之比長(zhǎng)短邊之比不大于不大于3 3：1 1時(shí)，時(shí)，矩形射流矩形射流可以可以 迅速發(fā)展成迅速發(fā)展成圓形射流圓形射流；當(dāng)；當(dāng)大于大于1010：1 1時(shí)，為時(shí)，為條縫射流條縫射流， 即即平面射流平面射流。 6.16.1 氣體氣體自孔口自孔口、管嘴管嘴或或條縫條縫向外噴射所形成的流動(dòng)稱為向外噴射所形成的流動(dòng)稱為 氣體淹沒射流氣體淹沒射流，簡(jiǎn)稱為，簡(jiǎn)稱為氣體射流氣體射流。 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 出流后的出流后的流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。后者僅討

3、論出口斷面。后者僅討論出口斷面 的的流速和流量流速和流量。 與管道流動(dòng)一樣，氣體射流也有與管道流動(dòng)一樣，氣體射流也有層流射流層流射流與與紊流射流紊流射流 之分。工程上的流動(dòng)，多為之分。工程上的流動(dòng)，多為紊流射流紊流射流。 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，又稱無(wú)限空間射流，又稱自由射流自由射流。反之，為有限空間射流，。反之，為有限空間射流， 又稱受限射流。又稱受限射流。 一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu) 6.16.1 1、射流場(chǎng)的形成、射流場(chǎng)的形成 由于射流為由于射流為紊流紊流，橫橫 向脈動(dòng)向脈動(dòng)導(dǎo)致與導(dǎo)致與

4、周圍氣體周圍氣體 發(fā)生發(fā)生動(dòng)量交換動(dòng)量交換，從而把，從而把 相鄰的相鄰的靜止液體靜止液體卷吸進(jìn)卷吸進(jìn) 來，隨著流程的增加，來，隨著流程的增加， 射流過流斷面不斷加大，射流過流斷面不斷加大， 流量不斷增加。流量不斷增加。 一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu)一、射流場(chǎng)的形成與結(jié)構(gòu) 6.16.1 2、射流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、射流場(chǎng)的結(jié)構(gòu) 射流核心射流核心：圖所示：圖所示AOD部分部分， 該部分氣體還未與外界發(fā)生交換。該部分氣體還未與外界發(fā)生交換。 邊界層邊界層：AOD以外的部分，速以外的部分，速 度度小于核心區(qū)小于核心區(qū)，又分為，又分為內(nèi)邊界層內(nèi)邊界層 和和外邊界層外邊界層。 過渡斷面過渡斷面：即：即BOE斷面斷面，該斷

5、，該斷 面以外核心區(qū)消失。面以外核心區(qū)消失。 起始段起始段：過渡斷面以內(nèi)，軸心：過渡斷面以內(nèi)，軸心 速度均為速度均為u0。 主體段主體段：過渡斷面以外。：過渡斷面以外。 射流半徑射流半徑R：任意斷面軸線到外：任意斷面軸線到外 邊界的距離。邊界的距離。 二、射流場(chǎng)的特征二、射流場(chǎng)的特征 1.幾何特征幾何特征 6.16.1 射流外邊界呈直線擴(kuò)散，兩條直射流外邊界呈直線擴(kuò)散，兩條直 線的線的交點(diǎn)交點(diǎn)M為為極點(diǎn)極點(diǎn)，兩條，兩條直線夾角直線夾角 的一半的一半 稱為稱為極角極角或或擴(kuò)散角擴(kuò)散角。 極角極角與與紊流強(qiáng)度紊流強(qiáng)度和和噴口斷面形狀噴口斷面形狀 有關(guān)。有關(guān)。 3.4 2.44 a tga a 圓形

6、噴口 條形噴口 形狀系數(shù)；形狀系數(shù)； 紊流系數(shù)。紊流系數(shù)。 a 二、射流場(chǎng)的特征二、射流場(chǎng)的特征 1.幾何特征幾何特征 6.16.1 0 0 000 0 0 0 R 1 11 3.4 tan 3.40.294 xsx s x rxx s s a r r as r = + + 或或 147. 08 . 6 00 d as d D 二、射流場(chǎng)的特征二、射流場(chǎng)的特征 2.運(yùn)動(dòng)特征運(yùn)動(dòng)特征 6.16.1 射流各斷面的射流各斷面的半徑半徑和和流量流量隨射程隨射程 增大而增大增大而增大，而，而流速流速逐漸減小逐漸減?。恢?；主 體段內(nèi)，體段內(nèi)，軸心速度逐漸減小軸心速度逐漸減小，流速，流速 分布圖逐漸扁平化，

7、大量實(shí)驗(yàn)證明，分布圖逐漸扁平化，大量實(shí)驗(yàn)證明， 各射流斷面的各射流斷面的無(wú)因次速度無(wú)因次速度與與無(wú)因次無(wú)因次 距離距離具有具有相似性相似性，即：，即： 2 1.5 2 1.5 11 m vy vR 二、射流場(chǎng)的特征二、射流場(chǎng)的特征 3.動(dòng)力特征動(dòng)力特征 6.16.1 實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)射實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)射 流范圍內(nèi)，流范圍內(nèi)，任意一點(diǎn)任意一點(diǎn) 的壓強(qiáng)的壓強(qiáng)等于等于周圍靜止周圍靜止 氣體氣體的的壓強(qiáng)壓強(qiáng)，則易知，則易知 沿軸向任意斷面間的沿軸向任意斷面間的 動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒，即：，即： 2 0 2 000 0 2 2rQydy R 6.26.2 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析 m v 22

8、0 0 0 2 R v ydyr v 一、主體段主體段 軸心速度軸心速度 : 0 0 0 480 96 0 147 m v as vax d . = + . 由式由式 兩端同除以兩端同除以 2 m Rv 6.26.2 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析 一、主體段主體段 斷面流量斷面流量 :Q 00 0 147 Qas Qd =4.4+ . 斷面平均流速斷面平均流速 : 1 v 1 0 0 0147 v as v d 0.095 = + . 質(zhì)量平均流速質(zhì)量平均流速 : 2 v 2 0 0 0147 v as v d 0.23 = + . 二、二、 起始段起始段 1. 1. 核心區(qū)長(zhǎng)度核

9、心區(qū)長(zhǎng)度 的計(jì)算的計(jì)算 2 2. 核心收縮角核心收縮角 n s 147. 0 48. 0 1 0 0 d as m a r s n 0 671.0 a s r tg n 49.1 0 6.26.2 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析 【例【例】圓射流以圓射流以Q Q0 0=0.55m=0.55m3 3/s/s，從從d d0 0=0.3m=0.3m管嘴流出。試求管嘴流出。試求 2.12.1m m處射流半寬度處射流半寬度R R、軸心速度軸心速度v vm m、斷面平均速度、斷面平均速度v v1 1、質(zhì)量、質(zhì)量 平均速度平均速度v v2 2，并進(jìn)行比較。，并進(jìn)行比較。 【解】查表得【解】查表得a

10、=0.08a=0.08。 先求核心長(zhǎng)度先求核心長(zhǎng)度 ，所求截面在主體段內(nèi)，所求截面在主體段內(nèi) 。 n s m a r sn26. 1 08. 0 15. 0 672. 0672. 0 0 mssn1 . 2 mr r as R721. 015. 0294. 0 15. 0 1 . 208. 0 4 . 3294. 04 . 3 0 0 sm d Q /785. 7 3 . 014. 3 455. 0 4 22 0 0 0 從而由主體段計(jì)算公式得從而由主體段計(jì)算公式得 sm d as m /285. 5785. 7 147. 0 3 . 0 1 . 208. 0 48. 0 147. 0 48.

11、 0 0 0 sm d as /046. 1785. 7 147. 0 3 . 0 1 . 208. 0 095. 0 147. 0 095. 0 0 0 1 sm d as /533. 2785. 7 147. 0 3 . 0 1 . 208. 0 23. 0 147. 0 23. 0 0 0 2 分析：由計(jì)算可知主體段內(nèi)的軸心速度分析：由計(jì)算可知主體段內(nèi)的軸心速度v vm m小于核心速度小于核心速度v v0 0； 比較比較v v1 1、v v2 2可以看出可以看出,用質(zhì)量平均速度代表使用區(qū)的流速要用質(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。比斷面平均流速更適合。 6.36.3

12、平面射流平面射流 氣體從狹長(zhǎng)隙縫中外射運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流在氣體從狹長(zhǎng)隙縫中外射運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流在條縫長(zhǎng)度方向條縫長(zhǎng)度方向 幾乎幾乎無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，只能在，只能在垂直于條縫長(zhǎng)度垂直于條縫長(zhǎng)度的各個(gè)的各個(gè)平面平面上擴(kuò)上擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)可視為散運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)可視為平面運(yùn)動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)，故稱，故稱平面射流。平面射流。 平面射流特征：平面射流特征： 噴口高度噴口高度以以 2b2b0 0（ b b0 0半高度）表示半高度）表示。 而幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特征則完全與而幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特征則完全與圓斷面射流圓斷面射流相似。相似。 結(jié)論：結(jié)論： 和圓斷面射流相比，流量沿程的增加、流速沿程的衰和圓斷面射流相比，流量沿程的

13、增加、流速沿程的衰 減都要減都要慢慢些。這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散被些。這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散被限定在限定在垂直于條縫長(zhǎng)垂直于條縫長(zhǎng) 度的平面上的緣故。度的平面上的緣故。 6.36.3 平面射流平面射流 射流參數(shù)計(jì)算：射流參數(shù)計(jì)算： 前面研究的射流與周圍前面研究的射流與周圍氣體溫度氣體溫度和和密度密度相同，因而相同，因而 射流軸線與噴口流速的方向相同，為一直線，稱為射流軸線與噴口流速的方向相同，為一直線，稱為等溫等溫 射流射流。 在在采暖通風(fēng)空調(diào)采暖通風(fēng)空調(diào)工程中，常采用工程中，常采用冷風(fēng)降溫冷風(fēng)降溫，熱風(fēng)采熱風(fēng)采 暖暖，此時(shí)為，此時(shí)為溫差射流溫差射流，而將，而將有害氣體或灰塵濃度降低有害氣體或灰塵濃度降

14、低的的 射流為射流為濃差射流濃差射流。 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。心軌跡。 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 一、一、 溫差與濃差射流的特征溫差與濃差射流的特征 1. 1. 幾何特征幾何特征 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 于于熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散略快于略快于動(dòng)量擴(kuò)散動(dòng)量擴(kuò)散，因此溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要，因此溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要 快

15、些厚些。但在處理實(shí)際問題時(shí)，為簡(jiǎn)化起見，認(rèn)為快些厚些。但在處理實(shí)際問題時(shí)，為簡(jiǎn)化起見，認(rèn)為二者相同二者相同。 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 一、一、 溫差與濃差射流的特征溫差與濃差射流的特征 2.2. 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 濃度擴(kuò)散濃度擴(kuò)散與與溫度相似溫度相似。在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化起見，可以。在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化起見，可以 認(rèn)為，認(rèn)為，溫度、濃度內(nèi)外的邊界溫度、濃度內(nèi)外的邊界與與速度內(nèi)外的邊界速度內(nèi)外的邊界相同。于是參相同。于是參 數(shù)數(shù) R R、Q Q、v vm m、v v1 1、 、v v2 2等可使用前兩節(jié)所述公式，僅對(duì)軸心溫差 等可使用前兩節(jié)所述公式，僅對(duì)軸心溫差 T T

16、m m ，平均溫差等沿射程的變化規(guī)律進(jìn)行討論。，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溫差射流與濃差射流 定義參數(shù)定義參數(shù)：以：以足標(biāo)足標(biāo)e e表示周圍氣體的符號(hào)表示周圍氣體的符號(hào) 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 一、一、 溫差與濃差射流的特征溫差與濃差射流的特征 2.2. 運(yùn)動(dòng)特征運(yùn)動(dòng)特征 由試驗(yàn)得出，截面上溫差分布、濃差由試驗(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：分布與速度分布之間具有相似性，即： 1 1.5 2 1.5 11 mm Tvy TvR 3.3. 熱力學(xué)特征熱力學(xué)特征 在等壓情況下，射流斷面上在等壓情況下，射流斷面

17、上相對(duì)焓值相對(duì)焓值 流量不變。流量不變。 CTdQc 二、幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算公式二、幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算公式 1. 軸心溫差軸心溫差 m T 2. 質(zhì)量平均溫差質(zhì)量平均溫差 2 T 147. 0 23. 0 0 0 2 d as T T 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 0 0 0.35 0.147 m T as T d 2. TQc相對(duì)焓值流量 三、三、 射流彎曲射流彎曲 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 溫差射流或濃差射流由于溫差射流或濃差射流由于 密度與周圍密度不同，所受的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)重力與浮力不相平衡，使整個(gè) 射流將發(fā)生向

18、下或向上彎曲。射流將發(fā)生向下或向上彎曲。 但整個(gè)射流但整個(gè)射流仍可看作是對(duì)稱于仍可看作是對(duì)稱于 軸心線軸心線。 我們采用近似的處理方法：取我們采用近似的處理方法：取 軸心線上的軸心線上的單位體積流體單位體積流體作為作為 研究對(duì)象，只考慮受重力與浮研究對(duì)象，只考慮受重力與浮 力作用，應(yīng)用牛頓定律導(dǎo)出公力作用，應(yīng)用牛頓定律導(dǎo)出公 式。式。 取軸心線上的取軸心線上的單位體積氣單位體積氣 體體為研究對(duì)象為研究對(duì)象, , 只考慮只考慮重力重力 與與浮力浮力作用。由牛二定律：作用。由牛二定律： jg mme )( 2 2 y dv d y j dtdt y vjdt 則則 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射

19、流與濃差射流 三、三、 射流彎曲射流彎曲 y yv dtdtjdt 由等壓過程的氣體狀態(tài)方程可得由等壓過程的氣體狀態(tài)方程可得 0 0 1 0.73 eme mm m e jgg T g T 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 三、三、 射流彎曲射流彎曲 0 0 1 0.73 y eme mm m e yv dtdtjdt jgg vT g vT 0 0 0 0 0.73 0.73 m e m e vT ydtgdt vT Tg dt v dt vT 因?yàn)橐驗(yàn)?m ds v dt 故故 0 0 00 00 1 11 mm m mm v dt v dtsdtv sdt vv vvds s

20、dtsds vvdtvv 利用利用 ，可得，可得 294. 0 965. 0 0 0 r as m 23 0 2 0 0 115. 0 2 51. 0s r a T Tg y e 由實(shí)驗(yàn)修正由實(shí)驗(yàn)修正, 將將0.115改為改為0.355。 23 0 2 0 0 335. 0 2 51. 0s r a T Tg y e 6.4 溫差射流與濃差射流溫差射流與濃差射流 【例題【例題】高出地面高出地面5 5m m處設(shè)一孔口處設(shè)一孔口d d0 0為為0.10.1m m，以以2 2m/sm/s速度向房速度向房 間水平送風(fēng)。送風(fēng)溫度間水平送風(fēng)。送風(fēng)溫度 ，室內(nèi)溫度，室內(nèi)溫度 。 試求距出口試求距出口3 3m

21、 m處的處的t t2 2、v v2 2 及彎曲軸心坐標(biāo)。及彎曲軸心坐標(biāo)。 0 0 10tC 0 27 e tC 【解】查表得紊流系數(shù)【解】查表得紊流系數(shù)a=0.08a=0.08。 20 0 0.230.23 20.09 20.18/ 0.08 3 0.1470.147 0.1 vvm s as d 147. 0 23. 0 0 0 2 d as TT TT e e 由由，可得，可得 0 20 0 0.230.23 27102723.67 0.083 0.1470.147 0.1 ee ttttC as d 從而有從而有 32 0 2 00 32 2 0.510.35 9.810270.08 0

22、.5130.3534.28 2273270.1 e g Ta yss Td m 6.5 6.5 旋轉(zhuǎn)射流旋轉(zhuǎn)射流 氣流通過具有氣流通過具有旋流作用旋流作用的的噴嘴外射運(yùn)動(dòng)噴嘴外射運(yùn)動(dòng)。氣流本身。氣流本身一一 面旋轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)，一面向周圍介質(zhì)中，一面向周圍介質(zhì)中擴(kuò)散前進(jìn)擴(kuò)散前進(jìn)，稱為，稱為旋轉(zhuǎn)射流旋轉(zhuǎn)射流。 一、基本特征一、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)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) 散的散的離心力離心力。和一般射流比較，。和一般射流比較，擴(kuò)散角大擴(kuò)散角大，射程短射程短，射流射流 的紊動(dòng)性強(qiáng)的紊動(dòng)性強(qiáng)。 二、旋轉(zhuǎn)射流的流速分布二、旋轉(zhuǎn)射流的流速分布 旋轉(zhuǎn)射流

23、的速度分解為三個(gè)分量：沿射流前進(jìn)方向的旋轉(zhuǎn)射流的速度分解為三個(gè)分量：沿射流前進(jìn)方向的軸軸 向速度向速度v vx x，在橫截面上沿半徑方向的，在橫截面上沿半徑方向的徑向速度徑向速度v vr r，在橫截面，在橫截面 上做圓周運(yùn)動(dòng)的上做圓周運(yùn)動(dòng)的切向速度切向速度v v 三、旋轉(zhuǎn)射流壓強(qiáng)分布三、旋轉(zhuǎn)射流壓強(qiáng)分布 旋流器出口的旋轉(zhuǎn)射旋流器出口的旋轉(zhuǎn)射 流中心壓力低于大氣壓強(qiáng)流中心壓力低于大氣壓強(qiáng) 的，隨著旋轉(zhuǎn)射流沿軸向的，隨著旋轉(zhuǎn)射流沿軸向 前進(jìn)，靜壓強(qiáng)前進(jìn)，靜壓強(qiáng)p p越來越接近越來越接近 p pa. a.旋轉(zhuǎn)射流中心由于低于 旋轉(zhuǎn)射流中心由于低于 大氣壓強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的卷大氣壓強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的卷 吸能力。吸能力。 2 0 2 v pp p a 6.5 6.5 旋轉(zhuǎn)射流旋轉(zhuǎn)射流 四、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度四、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度 旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度表征旋轉(zhuǎn)射旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度表征旋轉(zhuǎn)射 流的特性。其值越