流體力學(xué)-06氣體射流ppt課件

1、1,2021/1/29,第六章 氣體射流,61 無限空間淹沒紊流射流的特征 62 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析 63 平面射流 64 溫差或濃差射流 66 有限空間射流,2,2021/1/29,氣體自孔口、管嘴或條縫向外噴射所形成的流動(dòng)，稱為氣體淹沒射流。當(dāng)出口速度較大，流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，叫做紊流射流。工程上所應(yīng)用的射流，多為氣體紊流射流。 射流討論的是出流后的流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)。 射流到無限大空間中，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,第六章 氣體射流,3,2021/1/29,6-1 無限空間淹沒紊流射流的特征,現(xiàn)以無限空間中圓斷面紊流射流為例

2、，討論射流運(yùn)動(dòng)。 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，皆為 u0 值，且流動(dòng)為紊流。取射流軸線Mx為x 軸,由于射流為紊流型，紊流的橫向脈動(dòng)造成射流與周圍介質(zhì)之間不斷發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍介質(zhì)流動(dòng)，使射流的質(zhì)量流量、射流的橫斷面積沿 x 方向不斷增加，形成了向周圍擴(kuò)散的錐體狀流動(dòng)場(chǎng)，如圖61所示的錐體CAMDF,4,2021/1/29,紊流射流的結(jié)構(gòu)及特性,5,2021/1/29,一、過流斷面（又稱轉(zhuǎn)折斷面）起始段及主體段,剛噴出的射流速度仍然是均勻的。沿 x 方向流動(dòng)，射流不斷代入周圍介質(zhì)，不僅使邊界擴(kuò)張，而且使射流主體的速度逐漸降低，速度為 u0 的部分

3、（如圖其61 AoD 錐體）稱為射流核心，其余部分速度小于 u0 稱為邊界層。射流邊界層從出口開始沿射程不斷地向外擴(kuò)散，帶動(dòng)周圍介質(zhì)進(jìn)入邊界層，同時(shí)向射流中心擴(kuò)展，至某一距離處，邊界層擴(kuò)展到射流軸心線，核心區(qū)域消失，只有軸心上速度為 u0 。射流這一斷面為圖61上的 BoE ,稱為過渡斷面或轉(zhuǎn)折斷面。以過渡斷面分界，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,6,2021/1/29,二、紊流系數(shù) a 及幾何特征,射流外邊界層是一條直線，如圖61上的 AB及 DE 線。AB 、 DE 延至噴嘴內(nèi)交于 M 點(diǎn)，此點(diǎn)稱為極點(diǎn)， 的一半稱為極角 a ,又稱擴(kuò)散角 a,式中 K試驗(yàn)常數(shù)

4、； f噴口形狀系數(shù)，圓形噴嘴， f3.4； a紊流系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)決定，是表示射流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征系數(shù),Bo為圓斷面射流截面的半徑 R（或平面射流邊界層的半寬度 yb ）。它和從極點(diǎn)起點(diǎn)算的距離成正比，即 Bo Kx 。 oM 是從極點(diǎn)起算的 x 距離。由圖看出，Bo/oM =tan a ,故,7,2021/1/29,紊流系數(shù) a 與出口斷面上紊流強(qiáng)度有關(guān)，紊流強(qiáng)度越大， a 值也大，使射流擴(kuò)散角 a 增大，被帶動(dòng)的周圍介質(zhì)增多，射流速度沿程下降加速。 a 還與射流出口斷面上速度分布的均勻性有關(guān)。各種不同形狀噴嘴的紊流系數(shù)和擴(kuò)散角的實(shí)測(cè)值列表61,8,2021/1/29,由（61）式可知， a 值確

5、定，射流邊界層的外邊界線也就被確定，射流即按一定的擴(kuò)散角 a 向前作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這就是它的幾何特征。應(yīng)用這一特征，對(duì)圓斷面射流可求出射流半徑沿射程的變化規(guī)律,9,2021/1/29,大量實(shí)驗(yàn)研究表明，射流各截面上速度分布具有相似性,三、運(yùn)動(dòng)特征,10,2021/1/29,11,2021/1/29,12,2021/1/29,13,2021/1/29,14,2021/1/29,特留彼爾主體段內(nèi)無因次距離與無因次速度的取法規(guī)定,在上式中，0.5vm點(diǎn)表示速度為軸心速度的一半之處的點(diǎn),阿勃拉莫維奇整理起始段時(shí)，所用無因次量為,15,2021/1/29,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如下,

6、經(jīng)過這樣整理使得出書中圖63b?？梢钥吹皆瓉砀鹘孛娌煌乃俣确植记€，經(jīng)過這樣變換均成為同一條無因次分布線。這種同一性說明射流各截面上速度分布的相似性。這就是射流的運(yùn)動(dòng)特征,令,16,2021/1/29,四、動(dòng)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)。現(xiàn)取6-5中1-1、2-2所截的一段射流脫離體，分析其上受力情況。因各面上所受靜壓強(qiáng)均相等，則 x 軸外力之和為零。據(jù)動(dòng)量方程可知，各橫截面上動(dòng)量相等動(dòng)量守恒，這就是射流的動(dòng)力學(xué)特征,以圓斷面射流為例應(yīng)用動(dòng)量守恒原理 出口截面上動(dòng)量流量為 ，任意橫截面上的動(dòng)量流量則需積分,列動(dòng)量守恒式,17,2021/1/29,18,2021

7、/1/29,6-2 圓斷面射流的運(yùn)動(dòng)分析,現(xiàn)在根據(jù)紊流射流特征來研究圓斷面射流的速度 ，流量Q 沿射程 s （或 x ）的變化規(guī)律,一、主體段軸心速度,應(yīng)用式6-4,19,2021/1/29,按前述 及 的變化范圍，B2 的數(shù)值列于表62,20,2021/1/29,21,2021/1/29,二、起始段核心長(zhǎng)度 及核心收縮角,起始段核心長(zhǎng)度,核心收縮角,由式（6-2-1），將 vm=v0 ，s=sn ，代入,22,2021/1/29,三、主體段斷面流量 Q,取無因次流量,查表6-2 ，B1=0.0985 ; 再將（6-1-2），（6-2-1）式代入,23,2021/1/29,無因次斷面平均流速為

8、,將（612），（622）式代入得,四、主體段斷面平均流速,24,2021/1/29,五、主體段質(zhì)量平均流速v2,質(zhì)量平均流速定義為：用 乘以質(zhì)量即得真實(shí)動(dòng)量。列出口截面與任一橫截面的動(dòng)量守恒式,比較（621）與（624）式， 。因此用 代表使用區(qū)的流速要比 更合適。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,25,2021/1/29,解 由表61查得 a0.12。用（621）式,例61 用軸流風(fēng)機(jī)水平送風(fēng)，風(fēng)機(jī)直徑 d0=600 mm 。出口風(fēng)速 10 m/s ,求距出口 10 m 處的軸心速度和風(fēng)量,26,2021/1/29,六、起始段核心長(zhǎng)度 及核心收縮角,

9、起始段核心長(zhǎng)度,核心收縮角,由式（6-2-1），將 vm=v0 ，s=sn ，代入,27,2021/1/29,七、起始段流量,經(jīng)計(jì)算化簡(jiǎn)得整個(gè)截面上流量為,28,2021/1/29,八、起始段斷面平均流速,九、起始段質(zhì)量平均流速,29,2021/1/29,6-3 平面射流,氣體從狹長(zhǎng)縫隙中外射運(yùn)動(dòng)時(shí)，射流只能在垂直條縫長(zhǎng)度的平面上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。如果條縫相當(dāng)長(zhǎng)，這種流動(dòng)可視為平面運(yùn)動(dòng)，故稱為平面射流,平面射流噴口高度以2b0（b0半高度）表示，a值見表6-1后三項(xiàng)；j值為2.44，于是tan a2.44a。而幾何、運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特征則完全與圓斷面射流相似。所以各運(yùn)動(dòng)參數(shù)規(guī)律的推導(dǎo)基本與圓斷面類似，這里不

10、再推導(dǎo)，列公式于表6-3中,30,2021/1/29,31,2021/1/29,32,2021/1/29,6-4 溫差或濃差射流,在采暖通風(fēng)空調(diào)工程中，常采用冷風(fēng)降溫，熱風(fēng)采暖，這時(shí)就要用溫差射流。將有害氣體及灰塵濃度降低就要用濃差射流。所謂溫差、濃差射流就是射流本身的溫度或濃度與周圍氣體的溫度、濃度有差異,溫差或濃差射流分析，主要是研究射流溫差、濃差分布場(chǎng)的規(guī)律。同時(shí)討論由溫差、濃差引起射流彎曲的軸心軌跡,在射流的形成過程中，會(huì)產(chǎn)生橫向動(dòng)量交換，旋渦的出現(xiàn)，使之質(zhì)量交換，熱量交換，濃度交換。在這些交換中，熱量擴(kuò)散比動(dòng)量擴(kuò)散要快些，因此溫度邊界比速度邊界層發(fā)展要快些厚些，如圖6-6所示。實(shí)線為

11、速度邊界層，虛線為溫度邊界層的內(nèi)外界線,33,2021/1/29,濃度擴(kuò)散與溫度相似，在實(shí)際應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)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,34,2021/1/29,對(duì)溫差射流,出口斷面溫差,軸心上溫差,截面上任一點(diǎn)溫差,出口斷面濃度,軸心上濃差,斷面上任意一點(diǎn)濃差,設(shè)以足標(biāo)e表示周圍氣體的符號(hào),對(duì)濃差射流,35,2021/1/29,試驗(yàn)得出，截面上溫差分布，濃差分布與速度分布關(guān)系如下,6-15,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(duì)焓值不變。這一特點(diǎn)稱為熱力特征,設(shè)噴嘴斷面上單位時(shí)間的相對(duì)焓值為 ，射流任意橫截面上單位時(shí)間通過的相對(duì)焓值,3

12、6,2021/1/29,一、軸心溫差,根據(jù)相對(duì)焓值相等，得,兩端除以 ，并將6-4-1式代入，其推導(dǎo)與第二節(jié)方法類似,37,2021/1/29,二、質(zhì)量平均溫差,38,2021/1/29,三、起始段質(zhì)量平均溫差,對(duì)于濃差射流其規(guī)律與溫差射流相同。所以溫差射流公式完全適用于濃差射流。各參數(shù)計(jì)算公式列于6-4,39,2021/1/29,40,2021/1/29,41,2021/1/29,四、射流彎曲,溫差射流或濃差射流由于密度與周圍密度不同，所受的重力與浮力不相平衡，使整個(gè)射流將發(fā)生向下或向上彎曲，見圖6-7。但整個(gè)射流仍可看作是對(duì)稱于軸心線。因此了解軸心線的彎曲軌跡后，便可得出整個(gè)彎曲的射流,4

13、2,2021/1/29,43,2021/1/29,由加速度、速度以及位移三者之間的關(guān)系有,44,2021/1/29,采用近似的處理方法：取軸心線上的單位體積流體作為研究對(duì)象，只考慮受重力與浮力作用，應(yīng)用牛頓定律和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)公式列于表6-4中。如下,該公式中： ，成為阿基米德準(zhǔn)數(shù),45,2021/1/29,例 6-3 工作地點(diǎn)質(zhì)量平均風(fēng)速要求3m/s，工作面直徑D2.5m，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)葉的通風(fēng)機(jī)，其紊流系數(shù)a0.12。求（1）風(fēng)口的直徑及速度；（2）風(fēng)口到工作面的距離,解 溫差,求出 ，代入下式,46,2021/1/29

14、,所以 工作地點(diǎn)質(zhì)量平均風(fēng)速要求3m/s 因?yàn)?所以,2）風(fēng)口到工作面距離 s 可用下式求出,47,2021/1/29,一、有限空間射流結(jié)構(gòu),通常，工程中射流并不是射入無限大空間，因房間尺寸有限，限制了射流的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，此時(shí)自由射流規(guī)律不再適用，須重新研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前，理論上還沒有成熟的結(jié)果，大多是由實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式或無因次曲線，現(xiàn)作簡(jiǎn)介,圖6-17所示為有限空間射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。從射流出口至 I-I斷面，因固體壁面尚未妨礙射流的擴(kuò)展，射流的發(fā)展按照自由射流的規(guī)律，計(jì)算亦可用自由射流公式。稱I-I斷面為第一臨界斷面,6-6 有限空間射流,48,2021/1/29,49,2021/1/29,從I

15、-I斷面開始，射流的擴(kuò)展受到影響，卷吸周圍流體的作用減弱，因而射流斷面的擴(kuò)大以及流量的增加比較緩慢，達(dá)到II-II斷面，射流流線開始越出邊界層產(chǎn)生回流，射流流量開始沿程減少，因而射流流量在-斷面取得最大值。由實(shí)驗(yàn)得知，該處的回流平均流速、回流流量亦為最大。稱-斷面為第二臨界斷面,從-斷面以后，射流主體流量、回流流量、回流平均流速都依次變小，直至-斷面，射流主體流量減至為零,這樣，有限空間射流可以劃分為三段： （1）自由擴(kuò)張段，噴口至第一臨界斷面； （2）有限擴(kuò)張段，第一臨界斷面至第二臨界斷面； （3）收縮段，第二臨界斷面以后,50,2021/1/29,形成呈半個(gè)橄欖狀的流場(chǎng)，相當(dāng)于完整的有限空

16、間射流的一半，而回流區(qū)集中在射流主體下部與地面間，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與有限空間射流相同，看作有限空間射流的一半,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存在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)回流區(qū)的風(fēng)速有限定要求?；亓髌骄俣?的半經(jīng)驗(yàn)公式為,射流結(jié)構(gòu)還與噴嘴的安裝位置有關(guān)。如噴嘴安裝在房間高度、寬度的中央處，射流結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，左右對(duì)稱，射流主體呈橄欖形，四周為回流區(qū)。但實(shí)際送風(fēng)時(shí)多將噴嘴靠近頂棚安置，如安裝高度h與房高H為 時(shí)，射流出現(xiàn)貼附現(xiàn)象,二、貼附射流,51,2021/1/29,與自由射流不同，如把噴口貼近頂棚或墻壁布置，如圖6-19所示，則由于壁

17、面的限制，壁面處不能卷吸空氣，速度衰減慢，因而流速大，靜壓小，而另一側(cè)則流速小，靜壓大，使得氣流貼附于壁面流動(dòng)，并稱之為貼附射流,52,2021/1/29,由于貼附射流僅一面卷吸周圍流體，故衰減較慢，射程較同樣噴口的自由射流為長(zhǎng),貼附射流可視為完整射流得一半，其規(guī)律不變，因而可按風(fēng)口斷面加倍，出口流速不變的完整射流進(jìn)行計(jì)算。也就是說，計(jì)算中只需將自由射流公式的送風(fēng)口直徑d0代以 d0，對(duì)于平面射流，則需將風(fēng)口半高度 b0代以2b0,53,2021/1/29,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存在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)回流區(qū)的風(fēng)速有

18、限定要求?；亓髌骄俣?的半經(jīng)驗(yàn)公式為,三、半經(jīng)驗(yàn)公式,6-6-1,54,2021/1/29,式中， 為噴嘴出口速度、直徑；F為垂直于射流的房間橫截面積； 為射流截面至極點(diǎn)的無因次距離；a為紊流系數(shù),6-6-1a,若根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在距離L處，要求射流回流平均流速為某一限定值 ，則由式6-6-1得,6-6-1c,在斷面上，回流流速為最大，以 表示，由實(shí)驗(yàn)得對(duì)應(yīng) ，代入上式得最大回流速度為,55,2021/1/29,聯(lián)立式6-6-1a和式6-6-1c可得,6-6-2,工程設(shè)計(jì)中 與 由設(shè)計(jì)者限定，故 相當(dāng)于已知，由此可解出 ， 為簡(jiǎn)化計(jì)算給出表6-5。 由 ， 查表6-5得到 后可由 求出,以上所給出公式適用于 或 的貼附射流