環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究

1、環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究    摘要：本文對環(huán)形射流作用下吸氣動作了較全面的研究。建立了相關實驗臺，設計了帶有產生旋轉射流葉片的風口。測量并在理論計算了該吸氣流動在不同工況下的臨界射流速度、速度分布、有效范圍。理論值與試驗數(shù)據(jù)符合得很好。  一、引言消除生產車間有害物污染的關鍵設備是局部排風罩，其技術性能對局部排風系統(tǒng)的經濟效果有很大的影響，常用的排風罩對于污染物的控制依靠單純的吸氣流動，但其吸入速度衰減較快。另一類吹吸式排風罩，利用射流與吸氣流動形成復合氣流，但由于其射流的特性，即遇到障礙物時射流易破裂，造成控制效果惡化。因此，

2、有必要研究一種新型的吸氣流動方式，使之既有良好的控制效果，又可以減少排風罩控制污染物所需的排風量。20世紀80年代，丹麥C.Y.Aaberg提出射流作用下吸氣流動原理。我國學者在20世紀90年代初，將該原理應用到對污染物的控制方面1。該吸氣流動的特點是吸氣受射流作用，但不是二者的復合。利用射流*吸氣流動的流動區(qū)域，同時射流本身又具有卷吸作用，使其在達到單吸氣流相同的效果時，風量大量減少，同時不受障礙物的影響。為了更好研究和利用這種吸氣流動，筆者在二維射流作用下吸氣流動性的研究基礎上，分別在實驗、理論上對環(huán)形射流作用下吸氣流動做了定量研究。研究內容包括：吸氣流動的臨界射流速度、吸氣流動的速度分布

3、和吸氣流動的有效范圍。二、實驗測定1.實驗裝置為了進行相關的實驗研究，筆者設計了一套吸氣系統(tǒng)和吹氣系統(tǒng)組成的實驗裝置(如圖1所示)，包括流量測量儀器，分別為風速儀，流量調節(jié)閥， 風口(見圖2)，葉片(均為有機玻璃加工制成)。風口的寬度由葉片的高度調節(jié)。1.接至室外的管道 2.吸氣風機 3.吸氣調節(jié)閥 4.吸氣流量 5.吹氣風機 6.畢托管 7.吹氣調節(jié)閥 8.風口 圖1 實驗裝置系統(tǒng)圖圖2 風口示意圖實驗流場顯示采用發(fā)煙裝置發(fā)煙觀測來實現(xiàn)。為了確定風口外流暢坐標，在靠近和遠離風口處設置

4、一個與風口軸相對稱的相同的網(wǎng)格直角坐標，網(wǎng)格的四框上固定的細線構成優(yōu)點是觀察方便，不影響氣流運動。2.測試內容本課題實驗測量的內容包括臨界速度、吸氣速度場和有效作用范圍。實驗一共考慮了三個因素：吹氣口的寬度(即導葉片的寬度)，吸氣風機的吸氣量和導葉片的數(shù)量。其中吹氣口有5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、五種。葉片數(shù)有8片，16片，24片三種類型。吸氣量用傾斜式測壓計測量，分別為2800m3/h、2500m3/h、2200m3/h、2000m3/h、1800m3/h?？偣残枳?5組不同工況的實驗。實驗中，首選確定吸氣量，吹口寬度和葉片數(shù)，然后調節(jié)吹氣量，使之達到臨界狀態(tài)時，

5、0;測量數(shù)據(jù)，最后利用發(fā)法測量有效作用范圍。三、臨界射流速度環(huán)形射流作用下吸氣流動與二維相同，仍包括上、下兩個臨界速度1。環(huán)形乘風破浪充上扣 臨界速度定義為：在一定的吹氣寬度、吸口直徑、吸氣量下，初始射流出口速度較大，逐漸降低射流出口速度，直到射流軸線將向吸口彎曲，此時的吹氣口射流速度即為臨界速度。實驗中通過測量吹氣系統(tǒng)吹氣量，根據(jù)已確定吹氣口寬度及其外徑計算臨界速度。射流的軸線彎曲通過發(fā)煙觀察確定。實驗過程中，測量了75種不同工竘下的臨界速度。應有回歸分析的方法2得到臨界射流速度與葉片數(shù)、吸氣量和吹氣口寬度的關系為：  (1)Z-葉片數(shù)(片)L-吸氣量(m3/h

6、)b-吹氣口寬度(mm)由(1)式可風：臨界速度隨葉片數(shù)的增多而減小，隨吸氣量的增加而增加，隨吹氣口的寬度增大而減小。四、流聲的速度分布單純吸氣流動的速度衰減極快，而射流作用下的吸氣流動，由于射流的卷吸作用，其吸氣范圍減小，所以同單純的吸氣流動相比，速度的衰減要比單純的吸氣流動慢得多。以吸氣量為2000m3/h為例，為環(huán)形射流作用下的吸氣流動的軸心速度分布與單純吸氣流動的軸心速度進行比較(葉片數(shù)16片)，如圖3所示。由該圖可見，在吸氣量相同的情況下，有環(huán)形射流作用下的吸氣流動的無量綱的速度要比同一點單純吸氣流動的要大得多。同時，無論有環(huán)形射流作用還是單純的吸氣流動，無量綱的速度與元量綱的距離大

7、致成線性關系。射流作用下吸氣流動的復雜性，導致了邊界條件及相關的理論計算的困難，特別是射流為環(huán)形射流。本文利用相似變換的方法4的模型方程進行求解。對于一個偏微方程或方程組，如果存在一個或多個變量能使其蛻化為常微分方程或方程級，那么這一個或多個變量就稱為相似變量，而這一個偏微方程或者方程組所描述的物理過程就存在自相似性。對于一個適定的問題，相似變量是唯一的。所以，可以確定相似變量的存在條件就是自相似的存在條件。相似分析法的導出過程如下：（1） 定義線性變換群并將其代入原始方程。（2） 令每一個方程對于變換群是不變的，由此推出變換常數(shù)之間的生態(tài)系統(tǒng)。（3） 消去變換參

8、數(shù)，得到絕對變量。（4） 用線性變換群代入邊界條件，看是否與絕對變量有關。若是，則絕對變量就是相似變量：若否，則該問題沒有相似解。本文利用k-方程模型，在忽略葉片數(shù)及其入口、出口角的情況下，經過相似變換，得到常微分方程組。在根據(jù)相應的邊界條件，通過數(shù)值計算的解法，得到環(huán)形射流作用下吸氣流  (2)顯然，當r=0時，此時的速度即為軸心速度，則  (3)式(3)與圖3所表示的環(huán)形射流作用下流動的軸心速度分布的實驗數(shù)據(jù)相符。以x=40cm為例， 不同吸氣量速度分布的實驗數(shù)據(jù)與計算所得的公式進行比較，如圖4所示。圖3 吸氣量為200

9、0m3/h時的軸向吸入速度比較圖4 徑向速度實驗數(shù)據(jù)的比較u無量綱=Ux/u0 x無量綱=r0/X x-軸向距離（cm）r0-吸口半徑（cm）由圖4可見， 實驗數(shù)據(jù)與計算結果大致相符，表明利用相似變換的方法是可行同時，根據(jù)式(2)可知，當x一定時，該吸氣流動的速度是指數(shù)衰減的分布。動的速度分布的規(guī)律為：五、有效范圍有效范圍的確定，是將環(huán)形射流作用下吸氣流動應用于實際工程的必要條件。以環(huán)形射流作用下吸氣流動速度聲為基礎，根據(jù)流動過程的連續(xù)性，在吸氣流聲中，任一橫截面通過的氣體質量保持不變來計算有效范圍。  (4)m0-吸氣口處吸入的空氣

10、質量(kg)  -空氣的密度(kg/m3)R-有效作用范圍距離軸線的徑向距離(m)將式(2)帶入上式，得到有效范圍的邊界計算式為：  (5)由式(5)計算所得有效作用范圍邊界與實驗測量邊界繪于圖5圖5 理*式與實驗數(shù)據(jù)的比較由圖可見，實驗所測邊界與計算所得邊界基本相符。有效范圍同吸氣量無關，僅與軸向距離x有關。六、結論通過對環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究，本文得到以下結論：1.射流的臨界速度與吸氣量、葉片數(shù)、 吹氣口寬度的關系顯著，隨吸氣量的增加而增大，隨葉片數(shù)的增多而減小，隨吹氣口寬度增大而減小。2.與單純吸氣流動相比，環(huán)形射流作用下吸氣流動的速度衰減慢地多。其速度分布以無量綱為變量的指數(shù)衰減分布，而軸心速度則是一種線形分布。3.在相同的控制距離和控制風速下，單純吸氣流動所需的風量遠大于環(huán)形射流作用下流動所需吹、吸氣量的總和。4.有效作用范圍僅是距吸氣口距離的單值函數(shù)，與吸氣量的多少無關。由環(huán)形射流作用下吸氣流動的特性可知，該流動不僅可以應用于局部排風控制有害物，也可用于空調中的定點回風。對于某些場合如集中點式負荷，可用該氣流遠距離集中回風。既減少空調的風量，又提高空調房間溫濕度的均勻性。參考文獻1林豹.具有射流作用的槽邊排風罩的研究。暖通空調，1992，6，