第六章-氣體射流要點課件

第六章氣體射流

氣體自孔口﹑管嘴或條縫向外噴射所形成的流動，稱為氣體淹沒射流，簡稱氣體射流。當出口速度較大，流動呈現(xiàn)紊流狀態(tài)時，叫做紊流射流。射流在水泵、蒸汽泵、通風機、化工設備和噴氣式飛機等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應用。第六章氣體射流 氣體自孔口﹑管嘴或條縫向外噴射所形成的1第六章氣體射流射流與孔口管嘴出流的研究對象不同，射流主要研究的是出流后的流速場、溫度場和濃度場。后者僅討論出口斷面的流速和流量。出流空間大小，對射流的流動影響很大。出流到無限大空間中，流動不受固體邊壁的限制，為無限空間射流，又自由射流。反之為有限空間射流第六章氣體射流射流與孔口管嘴出流的研究對象不同2

射流的分類方法：

1.按射流流體的流動狀態(tài)不同，可分為層流射流和紊流射流。一般按噴口直徑和出口流速計算的雷諾數(shù)大于30以后即為紊流射流。

2.按射流流體的流動速度大小不同，可分為亞音速射流和超音速射流。

3.按射流流體在充滿靜止流體的空間內(nèi)擴散流動的過程中，是否受到某固體邊界的約束，可分為自由射流、半限制射流和限制射流。射流的分類方法：3

4.按射流流體在擴散流動過程中是否旋轉(zhuǎn)，可分為旋轉(zhuǎn)射流和非旋轉(zhuǎn)射流。

5.按射流管嘴出口截面形狀不同，可分為圓形射流(又稱軸對稱射流)、矩形射流、條縫射流(可按平面射流處理)、環(huán)狀射流和同心射流等。

對于矩形射流，當長寬比小于3時，可按軸對稱射流考慮，當長寬比大于10時，按平面射流考慮。

6.按射流流體的流動方向與外界空間流體的流動方向不同，可分為順流射流、逆流射流和叉流射流。4.按射流流體在擴散流動過程中是否旋轉(zhuǎn)，可分為旋4

7.按射流流體與外界空間內(nèi)流體的溫度及濃度不同，可分為溫差射流和濃差射流。

8.按射流流體內(nèi)所攜帶的異相物質(zhì)的不同，可分為氣液兩相射流，氣固兩相射流和液固兩相射流以及氣液固多相射流等。

由于工程上常見的射流一般都是紊流射流，所以本章主要討論紊流射流的特征和機理。7.按射流流體與外界空間內(nèi)流體的溫度及濃度不同，5§6.1無限空間淹沒紊流射流的特征§6.2圓斷面射流的運動分析§6.3平面射流§6.4溫差射流與濃差射流§6.6有限空間射流§6.1無限空間淹沒紊流射流的特征6§6.1

無限空間淹沒紊流射流的特征射流與孔口管嘴出流的研究對象不同，射流主要研究的是出流后的流速場、溫度場和濃度場。后者僅討論出口斷面的流速和流量。§6.1無限空間淹沒紊流射流的特征射流7PVAV末端溫控器PVAV末端溫控器8擴散器的水力設計擴散器的水力設計9假設氣體從半徑r0的圓形噴口噴出，由于討論的是湍流射流，所以氣體在出口斷面上的速度分布是均勻的，設出口速度為v0，氣體從噴口噴出后，由于湍流脈動，射流氣體和周圍氣體不斷進行動量交換，從而把周圍的靜止氣體卷吸到射流中來，使得射流的流量和過流斷面沿程不斷增大，從而擴大圓錐狀的結(jié)構(gòu)。假設氣體從半徑r0的圓形噴口噴出，由于討論的是湍流射10（一）射流場的形成與結(jié)構(gòu)

--極角或擴散角速度為u0的部分稱為核心區(qū)；其余部分稱為邊界層。過度斷面：只有軸心速度為u0的斷面。（一）射流場的形成與結(jié)構(gòu)速度為u0的部分稱為核心區(qū)；其余部分11

圖6-1自由射流的流場結(jié)構(gòu)特征第六章-氣體射流要點ppt課件12yxRSxSnx0r0射流極點噴管出口射流核心區(qū)內(nèi)邊界面外邊界面射流邊界層主體段起始段轉(zhuǎn)折截面v0v0yxRSxSnx0r0射流極點噴管出口射流核心區(qū)內(nèi)邊界面外13等密度氣體射流速度場示意圖等密度氣體射流速度場示意圖141.射流的幾何特性：射流外邊界擴張的變化規(guī)律稱為射流的幾何特性。了解射流的幾何特性主要是要了解射流的擴張半徑R與射程s的關(guān)系。所謂射程s就是射流斷面與射流出口的距離。影響射流的擴張半徑R主要因素有兩個。一個是射流出口斷面上氣流的紊流強度a，紊流強度a的大小用紊流系數(shù)表示。紊流系數(shù)是表征射流流動結(jié)構(gòu)的特征系數(shù)。a值越大，表明紊流強度越大，其與周圍介質(zhì)混合的能力就越強，周圍被帶動的介質(zhì)就越多，射流的擴展就越大。基本概念1.射流的幾何特性：射流外邊界擴張的變化規(guī)律稱為射流的幾何特15第六章-氣體射流要點ppt課件162.射流的運動特性：射流的速度分布規(guī)律反映出射流的運動特性。許多學者通過大量實驗，對不同斷面上的速度分布進行了測定，得到了射流的速度分布規(guī)律。

3.射流的動力特征：射流過流斷面間的動量變化規(guī)律為射流的動力特性。實驗證明，射流中任意點上的壓強均等于周圍氣體的壓強。4.平面射流：僅在平面上擴張的射流為平面射流。從相當長的條縫形射孔中射出的氣體，只能在垂直于條縫長度方向的平面上擴張運動，形成的就是平面射流。射流計算見表6-22.射流的運動特性：射流的速度分布規(guī)律反映出射流的運動特性。17（二）射流場的幾何特征及紊流系數(shù)a圓斷面射流平面射流a----紊（湍）流系數(shù)取決于管嘴出口截面上流體的紊流度及速度分布的均勻程度，管嘴出口處流體的紊流度越大，流速分布越不均勻，a值越大。（二）射流場的幾何特征及紊流系數(shù)a圓斷面射流平面射流a---18

—形狀系數(shù)；—湍流系數(shù)，由實驗決定，是表示射流流動結(jié)構(gòu)的特征系數(shù)。湍流系數(shù)與噴口斷面的湍流強度和速度分布均勻性有關(guān)。取決于管嘴出口截面上流體的紊流度及速度分布的均勻程度，管嘴出口處流體的紊流度越大，流速分布越不均勻，a值越大?！螤钕禂?shù)；取決于管嘴出口截面上流體的紊流19（三）

射流邊界層的運動特征

圖6-2主體段速度分布圖圖6-3起始段速度分布（三）射流邊界層的運動特征圖6-2主體段速度分布圖20（四）射流場的動力特征x方向外力的合力為零，動量守恒----射流的動力學特征（四）射流場的動力特征21列動量守恒式：列動量守恒式：22§6.2圓斷面射流的運動分析(一)主體段軸心速度§6.2圓斷面射流的運動分析(一)主體段軸心速度23二.斷面流量三.斷面平均速度四.質(zhì)量平均流速二.斷面流量三.斷面平均速度四.質(zhì)量平均流速24＝＞五、起始段核心區(qū)長度的計算及核心收縮角＝＞五、起始段核心區(qū)長度的計算及核心收縮角25【例題6.3】圓射流以Q0=0.55m3/s，從d0=0.3m管嘴流出。試求2.1m處射流半寬度R、軸心速度、斷面平均速度、質(zhì)量平均速度，并進行比較。

【解】查表6-1，得=0.08。

先求核心長度所求截面在主體段內(nèi)。【例題6.3】圓射流以Q0=0.55m3/s，從d0=26從而由主體段計算公式得分析：由計算可知主體段內(nèi)的軸心速度小于核心速度；比較、可以看出,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。從而由主體段計算公式得分析：由計算可知主體段內(nèi)的軸心速度27習題解析

例6－2

已知空氣淋浴噴口直徑為0.3m，要求工作區(qū)的射流半徑為1.2m，質(zhì)量平均流速為3m/s。求噴口至工作區(qū)的距離和噴口流量。

已知：R0＝0.15m，R＝1.2m，＝3.0m/s。

解：(1)

由表9－2查得空氣淋浴噴口的紊流系數(shù)a＝0.08。由表9－1中主體段射流半徑計算式，得所以，噴口至工作區(qū)的距離為

射流起始段長度為習題解析例6－2已知空氣淋浴噴口直徑為28習題解析

說明工作區(qū)在射流主體段內(nèi)。

(2)

由表9－1中主體段質(zhì)量平均流速計算式，得噴口流速為噴口流量為習題解析29§6.3平面射流 氣體從狹長隙縫中外射運動時，射流在條縫長度方向幾乎無擴散運動，只能在垂直于條縫長度的各個平面上擴散運動，這種流動可視為平面運動，故稱平面射流射流參數(shù)的計算見165頁表6-3§6.3平面射流 氣體從狹長隙縫中外射運動時，射流在條縫30定義：當射流流體與周圍空間介質(zhì)之間存在著溫度差或濃度差,則這樣的射流就稱為溫差射流或濃差射流。

舉例：

(1)夏天向熱車間吹送冷空氣以降溫；冬天向工作區(qū)吹送熱空氣以取暖等屬于溫差射流的例子。

(2)向含塵濃度高的車間吹送清潔空氣以改善工作環(huán)境；向高溫火焰爐內(nèi)噴吹燃料和助燃空氣等屬于濃差射流的例子?！?.4溫差射流與濃差射流定義：§6.4溫差射流與濃差射流31

溫差或濃差射流分析，主要是研究溫差或濃差場的分布規(guī)律，同時討論由溫差或濃差引起的射流彎曲的軸心軌跡。溫差或濃差射流分析，主要是研究溫差或濃差場的32(一)溫差射流的特征1.幾何特征除常規(guī)射流的動量、質(zhì)量交換，溫差射流還存在熱量交換。由于熱擴散略快于動量擴散，因此溫度邊界層比速度邊界層發(fā)展要快些厚些。但在處理實際問題時，為簡化起見，認為二者相同。2.

溫差(或濃差)分布的相似性.(一)溫差射流的特征33第六章-氣體射流要點ppt課件343.

熱力學特征：在等壓情況下，射流斷面上相對焓值流量不變。（二）幾個主要參數(shù)的計算公式1.軸心溫差

2.質(zhì)量平均溫差相對焓值流量。

3.

熱力學特征：在等壓情況下，射流斷面上相對焓值流量不變。35

(三)、射流軸線的彎曲

溫差射流或濃差射流的密度與周圍流體介質(zhì)的密度不同，致使作用于射流質(zhì)點上的重力與浮力不平衡，造成整個射流向上或向下彎曲，如圖9-6所示。但這時整個射流仍可看作是對稱于軸線的，因此，只要了解射流軸線的彎曲情況，便可知道整個射流的彎曲情況。一般熱射流和含輕密度物質(zhì)的射流向上彎曲；而冷射流和含重密度物質(zhì)的射流向下彎曲。溫差射流或濃差射流的密度不僅沿程有變化，而且在同一射流截面上的不同點也是不同的，要精確計算射流軸線的彎曲軌跡比較復雜，我們采用近似的計算方法。(三)、射流軸線的彎曲36

圖6-7射流軸線的彎曲第六章-氣體射流要點ppt課件37（三）射流彎曲取軸心線上的單位體積氣體為研究對象,只考慮重力與浮力作用。則

（三）射流彎曲則38由等壓過程的氣體狀態(tài)方程可得代入上式，即得

因為故由等壓過程的氣體狀態(tài)方程可得代入上式，即得因為故39利用，可得由實驗修正,將0.115改為0.355。＝＞由實驗修正,將0.115改為0.355。40習題解析

例6－3

工作帶質(zhì)量平均流速要求為3m/s，工作面直徑為2.5m，送風溫度為15℃，車間溫度為30℃，要求工作帶的質(zhì)量平均溫度降到25℃，采用風機送風，取β0＝1，＝3.5。求：(1)風口直徑和風口至工作面的距離；(2)風口的風速和風量；(3)工作面中心點溫度；(4)射流在工作帶下降的距離。已知：＝3.0m/s，R＝1.25m，β0＝1，＝3.5。

T0＝288K，Ta＝303K，T′＝298K，

ΔT0＝T0－Ta＝288－303＝－15K，

ΔT′＝T′－Ta＝298－303＝－5K

解：(1)

由式(9－6)得習題解析例6－3工作帶質(zhì)量平均流速要求41習題解析由式(9－24a)

則故風口半徑為風口直徑為風口至工作面的距離為其中：習題解析由式(9－24a)42習題解析起始段長度為說明工作面在射流主體段內(nèi)。

(2)

由式(9－11)得風口的風速為風口的風量為

(3)

由式(9－22)得所以工作面中心點溫度為

Tm＝Ta＋ΔTm＝303－7.2＝295.8K，tm＝295.8－273＝22.8℃習題解析起始段長度為43習題解析

(4)

由式(9－26)得射流在工作帶下降的距離為

其中：阿基米德數(shù)為上式中的負號表示射流下降，如為正號則表示射流上升。習題解析(4)由式(9－26)得射流在工作帶下降44習題解析例題三附圖射流的下降習題解析45

【例題6.4】高出地面5m處設一孔口為0.1m，以2m/s速度向房間水平送風。送風溫度℃，室內(nèi)溫度=27℃。試求距出口3m處的、及彎曲軸心坐標?！窘狻坑杀?.2查得湍流系數(shù)0.08。由，可得℃【例題6.4】高出地面5m處設一孔口為0.1m，以246從而，有從而，有47§6.5旋轉(zhuǎn)射流 氣流通過具有旋流作用的噴嘴外射運動。氣流本身一面旋轉(zhuǎn)，一面向周圍介質(zhì)中擴散前進，稱為旋轉(zhuǎn)射流。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散的離心力。和一般射流比較，擴散角大，射程短，射流的紊動性強?！?.5旋轉(zhuǎn)射流 氣流通過具有旋流作用的噴嘴外射運動。氣48旋流產(chǎn)生的方法

流體的旋轉(zhuǎn)流動一般可通過以下幾種方法獲得：

1.氣體切向進入圓筒形噴管(如圖示)，首先形成旋轉(zhuǎn)流動，再從噴口噴出，即形成旋轉(zhuǎn)射流。例如：新式燃氣灶旋流產(chǎn)生的方法49

2.在軸向管流內(nèi)安裝旋流葉片或加工旋流槽道(如圖示)，氣體通過旋流葉片或旋流槽道產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，然后再從噴口噴出形成旋轉(zhuǎn)射流。氣體旋轉(zhuǎn)的強弱程度(旋流強度)可通過改變導向旋流葉片的安裝角度來調(diào)整。2.在軸向管流內(nèi)安裝旋流葉片或加工旋流槽道(如圖50

3.用旋轉(zhuǎn)的機械裝置,可使流經(jīng)其上的液體形成旋流，圖所示的轉(zhuǎn)杯式燃油燒嘴就是機械式旋流裝置中的一種。轉(zhuǎn)杯式燒嘴示意圖3.用旋轉(zhuǎn)的機械裝置,可使流經(jīng)其上的液體形成旋流51二、旋轉(zhuǎn)射流的流速分布

旋轉(zhuǎn)射流的速度分解為三個分量：沿射流前進方向的軸向速度，在橫截面上沿半徑方向的徑向速度，在橫截面上做圓周運動的切向速度二、旋轉(zhuǎn)射流的流速分布 旋轉(zhuǎn)射流