第六章氣體射流

第六章氣體射流氣體自孔口、噴嘴或條縫向外噴射所形成的流動，稱為氣體淹沒射流，簡稱為氣體射流。當(dāng)出口速度較大，流動呈紊流狀態(tài)時，叫做紊流射流。在空調(diào)通風(fēng)工程上所應(yīng)用的射流，多為氣體紊流射流。射流主要研究的是出流后的流速場、溫度場和濃度場。射流分無限空間射流（自由射流）和有限空間射流（受限射流）。第一節(jié)無限空間淹沒紊流射流的特征氣流自半徑為R的圓斷面噴嘴噴出，出口斷面上的速度認(rèn)為均勻分布。紊流的橫向脈動造成射流與周圍介質(zhì)之間不斷發(fā)生質(zhì)量、動量交換，形成向周圍擴(kuò)散的錐體狀流動場。射流核心邊界層過渡斷面（轉(zhuǎn)折斷面）起始段及主體段擴(kuò)散角（極角）紊流系數(shù)紊流系數(shù)與出口斷面上紊流強(qiáng)度有關(guān)，也與出口斷面上速度分布的均勻性有關(guān)。（表6-1）射流結(jié)構(gòu)噴嘴種類帶有收縮口的噴嘴0.0660.071圓柱形管0.0760.08帶有導(dǎo)風(fēng)板的軸流式通風(fēng)機(jī)帶導(dǎo)流板的直角彎管0.120.20紊流系數(shù)平面壁上銳緣狹縫具有導(dǎo)葉且加工磨圓邊口的風(fēng)道上縱向縫收縮極好的平面噴口紊流系數(shù)

從表中數(shù)值可知,噴嘴上裝置不同形式的風(fēng)板柵欄,則出口截面上氣流的擾動紊亂程度不同,因而紊流系數(shù)也就不同。擾動大的紊流系數(shù)值增大，擴(kuò)散角也增大。0.240.1080.118噴嘴種類帶金屬網(wǎng)格的軸流風(fēng)機(jī)0.155由可知：a值確定，射流邊界層的外邊界線也就確定，射流即按一定的擴(kuò)散角向前作擴(kuò)散運(yùn)動，這就是它的幾何特征。應(yīng)用這一特征，對圓斷面射流可求出射流半徑沿射程的變化規(guī)律．可得：又以直徑表示由兩圖中可見：無論主體段或起始段內(nèi)，軸心速度最大，從軸心向邊界層邊緣，速度逐漸減小至零。距噴嘴距離越遠(yuǎn)，即x值增大，邊界層厚度越大，而軸心速度則越小，也就是說，隨著x的增大，速度分布曲線不斷地扁平化了。注意幾個符號的含義：用半經(jīng)驗(yàn)公式表示射流各橫截面上的無因次速度分布為：動力特征：實(shí)驗(yàn)證明：射流中任意點(diǎn)上的靜壓強(qiáng)均等于周圍氣體的壓強(qiáng)。因各面上所受靜壓強(qiáng)均相等，則x軸向外力之和為零。據(jù)動量方程可知，各橫截面上動量相等——動量守恒，這就是射流的動力學(xué)特征。

圓斷面射流為例應(yīng)用動量守恒原理截面上動量流量為

任意橫截面上的動量流量則需積分動量守恒式：第二節(jié)圓斷面射流的運(yùn)動分析現(xiàn)根據(jù)紊流射流特征來研究圓斷面射流的速度，流量和射程的變化規(guī)律。軸心速度用

除兩端：應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)公式代入：n11.522.53Bn0.09850.0640.04640.03590.0286Cn0.38450.30650.25850.22560.2015Bn和Cn值再將射流半徑R沿程變化規(guī)律(6-1-2),(6-1-2a)式代入,得:說明了無因次軸心速度與無因次距離成反比的規(guī)律．?dāng)嗝媪髁繑嗝嫫骄魉儋|(zhì)量平均流速起始段核心長度及收縮角起始段流量起始段斷面平均流速起始段質(zhì)量平均流速段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流擴(kuò)散角α

射流直徑或半高度主體段Db射流參數(shù)的計(jì)算段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流主體段軸心速度流量Q斷面平均流速質(zhì)量平均流速段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流起始段流量斷面平均流速質(zhì)量平均流速段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流起始段核心長度噴嘴至極點(diǎn)距離收縮角例6-1：用軸流風(fēng)機(jī)水平送風(fēng)，風(fēng)機(jī)直徑為d0=600mm，出口風(fēng)速10m/s，求距出口10米處的軸心速度和風(fēng)量。解：首先應(yīng)判斷該截面是處于起始段還是主體段（在書上補(bǔ)充）

應(yīng)用表6-3的公式進(jìn)行計(jì)算噴嘴種類帶有收縮口的噴嘴0.0660.071圓柱形管0.0760.08帶有導(dǎo)風(fēng)板的軸流式通風(fēng)機(jī)帶導(dǎo)流板的直角彎管0.120.20紊流系數(shù)例6-2：已知空氣淋浴地帶要求射流半徑為1.2m，質(zhì)量平均流速v2為3m/s，圓形噴嘴直徑為0.3m，求1、噴口至工作地帶的距離。2、噴嘴流量。噴嘴種類帶有收縮口的噴嘴0.0660.071圓柱形管0.0760.08帶有導(dǎo)風(fēng)板的軸流式通風(fēng)機(jī)帶導(dǎo)流板的直角彎管0.120.20紊流系數(shù)已知射流直徑D,v2,d0,a,求S和Q0第三節(jié)平面射流氣體從狹長縫隙中外射運(yùn)動時，射流只能在垂直條縫長度的平面上擴(kuò)散運(yùn)動，如果條縫相當(dāng)長，這種流動可視為平面運(yùn)動，故稱為平面射流。平面射流噴口高度以2b0表示，tgα=2.44a,其他幾何、運(yùn)動動力特征完全與圓斷面射流相似，公式見表6-3。和圓斷面射流相比，流量沿程的增加，流速沿程的衰減都要慢些，這是因?yàn)檫\(yùn)動的擴(kuò)散被限定在垂直于條縫長度的平面上的緣故。段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流擴(kuò)散角α

射流直徑或半高度主體段Db射流參數(shù)的計(jì)算段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流主體段軸心速度流量Q斷面平均流速質(zhì)量平均流速段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流起始段流量斷面平均流速質(zhì)量平均流速段名參數(shù)名稱符號圓斷面射流平面射流起始段核心長度噴嘴至極點(diǎn)距離收縮角第四節(jié)溫差或濃差射流射流本身的溫度或濃度與周圍氣體的溫度、濃度有差異。溫差、濃差射流分析，主要是研究射流溫差、濃差分布場的規(guī)律，同時討論由溫差、濃差引起的射流彎曲的軸心軌跡。

在實(shí)際應(yīng)用中，為簡化起見，可以認(rèn)為：

溫度、濃度內(nèi)外的邊界與速度內(nèi)外的邊界相同。

熱量擴(kuò)散比動量擴(kuò)散要快，溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要快要厚。濃度擴(kuò)散與溫度擴(kuò)散相似。實(shí)線：速度邊界層虛線：溫度邊界層因此，參數(shù)：R，Q，Vm，V1，V2使用前面的計(jì)算公式試驗(yàn)得出：截面上溫度分布、濃度分布與速度分布關(guān)系如下：截面上任一點(diǎn)溫差軸心上溫差

與動力特征類似，熱力特征是：在等壓的情況下，以周圍氣體的焓值作為起算點(diǎn)，射流各橫截面上的相對焓值不變。軸心溫差：質(zhì)量平均溫差：該溫差乘ρQc，便得出相對焓值。起始段質(zhì)量平均溫差：濃差溫差的射流計(jì)算見表6-4射流彎曲溫差射流或濃差射流由于密度與周圍密度不同,所受重力與浮力不相平衡,使整個射流將發(fā)生向下或向上彎曲,但整個射流仍可看作是對稱于軸心線。取軸心線上單位體積流體作為研究對象，只考慮受重力和浮力作用，推導(dǎo)軸心線彎曲軌跡公式。xyA’Ayxd射流軸線的彎曲A由氣體狀態(tài)方程式，在等壓狀態(tài)下，有：xyA’AyxdAj:垂直向上的加速度將軸心溫差換成了軸心速度關(guān)系將代入，積分，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比后得：為阿基米德準(zhǔn)數(shù)用噴嘴直徑除之，得無因次軌跡方程為：對于平面射流：例題6-3，6-4，6-5工作地點(diǎn)質(zhì)量平均風(fēng)速要求為3m/s，工作面直徑D=2.5m,送風(fēng)溫度為15℃，車間空氣溫度30℃，要求工作地點(diǎn)的質(zhì)量平均溫度降到25℃，采用帶導(dǎo)葉的軸流風(fēng)機(jī)，其紊流系數(shù)α=0.12。求：

（1）風(fēng)口的直徑及速度;

(2)風(fēng)口到工作面的距離。解：由題目可知該射流屬于圓斷面濃差射流假設(shè)該斷面處于主體段，則：假設(shè)