流體力學(xué)第六章

關(guān)于流體力學(xué)第六章第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-1概述

氣體經(jīng)孔口﹑管嘴或條縫向周圍氣體空間噴射所形成的流動(dòng)，稱為氣體淹沒射流，簡稱氣體射流。射流的研究對(duì)象與孔口管嘴出流的研究對(duì)象有所不同。射流討論的是出流后的流速場、溫度場以及濃度場，而孔口管嘴出流討論的是出口斷面的流速和流量。第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五一、射流分類

根據(jù)氣體射流的流動(dòng)形態(tài)不同，可將射流分為氣體層流射流和氣體紊流射流。在采暖通風(fēng)工程上應(yīng)用的射流，一般多為氣體紊流射流。根據(jù)射流氣體的溫度是否與周圍氣體溫度相同，可將射流分為等溫射流和溫差射流。

根據(jù)射流氣體的濃度是否與周圍氣體濃度相同，可將射流分為等濃度射流和濃差射流。

根據(jù)出流到的空間大小，可將射流分為自由射流和受限射流。流動(dòng)不受固體邊壁的限制，為無限空間射流，又稱自由射流。反之為有限空間射流，又稱受限射流。

第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、射流的形成與結(jié)構(gòu)

1、射流的形成第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2、射流的結(jié)構(gòu)（5）起始段射流軸心上速度都為v0，而主體段軸心速度沿x方向不斷下降，主體段中完全為射流邊界層所占據(jù)。（1）速度為v0的部分稱為射流核心，其余部分速度小于

v0，稱為邊界層。（2）射流邊界層一方面不斷地向外擴(kuò)散，帶動(dòng)周圍介質(zhì)進(jìn)人邊界層，另一方面向射流中心擴(kuò)展。（3）軸心點(diǎn)上速度為v0

的射流斷面稱為過渡斷面或轉(zhuǎn)折斷面。（4）出口斷面至過渡斷面稱為射流起始段,過渡斷面以后稱為射流主體段。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及半經(jīng)驗(yàn)理論都得出射流外邊界是一條直線，如圖上的AB及DE線。（7）AB、DE反向延長至噴嘴內(nèi)交于M點(diǎn)，此點(diǎn)稱為極點(diǎn)，∠AMD的一半稱為極角(α)，又稱擴(kuò)散角。（8）BO為圓斷面射流截面的半徑(R)，R稱為射流半徑。2、射流的結(jié)構(gòu)第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-2無限空間淹沒紊流射流的特征

一、射流的幾何特征

射流外邊界擴(kuò)散的變化規(guī)律稱為射流的幾何特征。射流擴(kuò)散半徑R與射程S之間的關(guān)系:

射流擴(kuò)散角

的大小與紊流強(qiáng)度和噴口斷面的形狀有關(guān)，可按下式計(jì)算：

a為紊流系數(shù),大小取決于噴口結(jié)構(gòu)形式和氣流經(jīng)過噴口時(shí)受擾動(dòng)的程度，a值越大表示紊流強(qiáng)度越大.

為射流噴口的形狀系數(shù)。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五或上式是用數(shù)學(xué)關(guān)系表示的射流幾何特征。一、射流的幾何特征

對(duì)于圓斷面射流，由幾何關(guān)有

：第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、射流的運(yùn)動(dòng)特征

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)邊界層厚度越大，而軸心速度則越小，也就是速度分布曲線不斷地扁平化了。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、射流的運(yùn)動(dòng)特征對(duì)于起始段只考慮邊界層中流速分布。式中

u為邊界層中任意斷面上任意一點(diǎn)的流速；y為斷面上流速為u的點(diǎn)到內(nèi)邊界面的距離；R為同斷面上邊界層厚度。第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五三、射流的動(dòng)力特征

射流過流斷面間的動(dòng)量變化規(guī)律為射流的動(dòng)力特征。實(shí)驗(yàn)表明，射流中任意一點(diǎn)上的壓強(qiáng)均等于周圍氣體的壓強(qiáng)。根據(jù)動(dòng)量方程可以導(dǎo)出，射流各斷面上的動(dòng)量相等。這就是射流的動(dòng)力特征。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五以圓斷面射流為例，它的任意斷面上的動(dòng)量可表示為式中：

—射流氣體密度，

—射流出口斷面上的體積流量，其它同前。三、射流的動(dòng)力特征第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-3圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析一、軸心速度um

軸心速度沿射程的變化規(guī)律可根據(jù)射流動(dòng)力特征，即各斷面動(dòng)量守恒的原理導(dǎo)出。令，代入上式，可得令

得：由：第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五于是

所以有

可得第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、斷面流量qv

取無因次流量

將，代入上式，得

當(dāng)時(shí)

有

整理，得第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五三、斷面平均流速v1

斷面平均流速僅為軸心流速的20％。

斷面平均流速v1

表示射流主體段斷面上各點(diǎn)流速的算術(shù)平均值。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五四、質(zhì)量平均流速v2

定義v2：用乘以質(zhì)量流量，即得單位時(shí)間內(nèi)射流任意斷面的動(dòng)量。

質(zhì)量平均流速為軸心流速的47％。因此用代表使用區(qū)的流速要比更合適些。但必須注意，、：不僅在數(shù)值上不同，更重要的是在定義上根本不同，不可混淆。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五五、起始段核心長度Sn

及核心收縮角

第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-4平面射流

當(dāng)氣體從相當(dāng)長的條縫形噴口中射出時(shí)，射流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被限制在垂直于條縫長度的平面上，這種僅在平面上擴(kuò)張的射流被稱為平面射流。

平面射流速度與流量等參數(shù)變化規(guī)律的推導(dǎo)過程與圓斷面射流類似，這里不再詳述。相關(guān)公式見表6-3。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-5溫差或濃差射流及射流彎曲

在暖通空調(diào)工程中，我們涉及到的射流往往是射流本身與周圍流體存在著溫度差或濃度差的，這類射流稱為溫差射流或濃差射流。

如:在空調(diào)工程中，常采用冷風(fēng)降溫、熱風(fēng)采暖，這時(shí)就形成溫差射流。

如:在通風(fēng)工程中，通過降低有害氣體及灰塵的濃度來凈化空氣，這就形成了濃差射流。第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

射流與周圍氣體之間存在的質(zhì)量、熱量和濃度的交換中，熱量和濃度的擴(kuò)散比質(zhì)量擴(kuò)散快，所以射流的溫度和濃度邊界層比速度邊界層發(fā)展得要快。一、溫差或濃差射流(a)射流溫度場和速度場的邊界范圍（b）無因次溫度分布曲線和無因次速度分布曲線圖

(實(shí)線為速度邊界層的內(nèi)外界線，虛線為溫度邊界層的內(nèi)外界線。)第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

設(shè)腳標(biāo)e,0,m,分別表示周圍氣體、出口氣體以及軸心氣體的標(biāo)示符號(hào)。

一、溫差或濃差射流第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

斷面上溫差分布和濃差分布與速度分布關(guān)系如下：

溫差射流除具有前面所述動(dòng)力特征外，還具有熱力特征。根據(jù)熱力學(xué)可知，在等壓的情況下，以周圍氣體的焓值作為起算點(diǎn)，射流各斷面上的相對(duì)焓值保持不變。這一特點(diǎn)稱為溫差射流熱力特征。一、溫差或濃差射流

第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五（1）軸心溫差?Tm（2）質(zhì)量平均溫差?T2

質(zhì)量平均溫差的定義與質(zhì)量平均流速的定義類似。就是以該溫差乘上便得相對(duì)焓值。

第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五（3）起始段質(zhì)量平均溫差?T2

將起始段的代入，即得起始段質(zhì)量平均溫差計(jì)算式為第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、射流彎曲

溫差射流與濃差射流由于密度與周圍氣體密度不同，所受的重力與浮力不相平衡，使整個(gè)射流發(fā)生向下或向上的彎曲。將軸心線的彎曲軌跡作為射流的彎曲軌跡。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五平面溫差與濃差射流的軸線偏移量可分別按下式計(jì)算平面溫差與濃差射流的軸心無因次軌跡方程分別為第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§6-6有限空間射流簡介

實(shí)際工程上射流通風(fēng)大多是在有限空間（房間）中進(jìn)行的。當(dāng)房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻、地面、頂棚等）限制了射流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，自由射流規(guī)律不再適用。一、有限空間射流結(jié)構(gòu)

在有限空間，由于邊壁的限制射流受阻，同時(shí)噴嘴出口處周圍氣體被帶走，形成低壓，促成氣體折回，沿兩側(cè)邊界回流，影響射流邊界層的發(fā)展擴(kuò)散，使得射流半徑及流量不是一直增加，而是增大到一定程度后反而逐漸減小，使其邊界線呈橄欖形。重要的特征——橄欖形的邊界外部與固體邊壁形成與射流方向相反的回流區(qū)。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五C：漩渦中心Ⅰ-Ⅰ斷面也稱第一臨界斷面，Ⅱ-Ⅱ斷面也稱第二臨界斷面，

橄欖形流場由三部分組成：射流出口至斷面Ⅰ-Ⅰ為自由擴(kuò)張段

Ⅰ-Ⅰ斷面至Ⅱ-Ⅱ斷面為有限擴(kuò)張段

Ⅱ-Ⅱ斷面至Ⅳ-Ⅳ為收縮區(qū)段

一、有限空間射流結(jié)構(gòu)第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、有限空間射流動(dòng)力特征與半經(jīng)驗(yàn)公式有限空間射流研究起來較自由射流困難得多。

有限空間射流不同于自由射流的重要特征是橄欖形邊界外部與固體邊壁形成與射流方向相反的回流區(qū)。而空調(diào)工程中，工作區(qū)通常就設(shè)在回流區(qū)內(nèi)，因此對(duì)其風(fēng)速需要限制。計(jì)算回流區(qū)速度v的半經(jīng)驗(yàn)公式:射流截面至極點(diǎn)的無因次距離，垂直于射流的房間橫截面積噴嘴出口速度

噴嘴直徑第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

在Ⅱ-Ⅱ斷面上，回流速度為最大，用vl表示之。Ⅱ-Ⅱ斷面至極點(diǎn)的無因次距離通過實(shí)驗(yàn)已得出，代入上式，則最大回流速度為

若根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在