第六章 气体射流第二次PPT课件

1、.,1,流体力学,北方民族大学化工学院,任课教师：康亚明,穷究于理，成就与工,2011年6月1日,2,.,内容回顾,核心问题1： 射流的分类,当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流射流。 在空调通风工程上所应用的射流，多为气体紊流射流。 射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 射流分无限空间射流（自由射流）和有限空间射流（受限射流）。,3,.,射流核心 边界层 过渡断面（转折断面） 起始段及主体段 扩散角（极角）,射流结构,核心问题2： 射流的结构,包络图核心,4,.,a 值确定,射流边界层的外边界线也就确定，射流即按一定的扩散角向前作扩散运动，这就是它的几何特征。应用这一特征，

2、对圆断面射流可求出射流半径沿射程的变化规律,核心问题3： 紊流射流的几何特征,5,.,又,以直径表示,射流半径沿程的线形增长性,6,.,用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布为：,射流各截面上速度分布的相似性,核心问题4： 紊流射流的运动特征,7,.,实验证明：射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。 因各面上所受静压强均相等，则x轴向外力之和为零。 据动量方程可知，各横截面上动量相等动量守恒，这就是射流的动力学特征。,核心问题5： 紊流射流的动力特征,8,.,圆断面射流为例应用动量守恒原理截面上动量流量为：,9,.,任意横截面上的动量流量则需积分：,动量守恒式：,射流各截面的动量

3、守恒性,10,.,第六章 气体射流,知识要点,6-1 无限空间淹没紊流射流的特征 6-2 圆断面射流的运动分析 6-3 平面射流 6-4 温差或浓差射流 6-5* 旋转射流 6-6 有限空间射流,1、平面射流的几何特征与运动特征,2、温差或浓差射流的运动特征,3、旋转射流的运动特征,11,.,6-3 平面射流,气体从狭长缝隙中外射运动时,射流只能在垂直条缝长度的平面上扩散运动,如果条缝相当长，这种流动可视为平面运动, 故称为平面射流。 平面射流喷口高度以2b0表示，tg=2.44a, 其他几何、运动动力特征完全与圆断面射流相似。 和圆断面射流相比，流量沿程的增加，流速沿程的衰减都要慢些，这是因

4、为运动的扩散被限定在垂直于条缝长度的平面上的缘故。,12,.,主体段,D b,射流参数的计算,13,.,14,.,15,.,16,.,6-4 温差或浓差射流,射流本身的温度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。 温差、浓差射流分析，主要是研究射流温差、浓差分布场的规律，同时讨论由温差、浓差引起的射流弯曲的轴心轨迹。,17,.,在实际应用中,为简化起见,可以认为:温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。,热量扩散比动量扩散要快，温度边界层比速度边界层发展要快要厚。浓度扩散与温度扩散相似。,实线：速度边界层 虚线：温度边界层,18,.,试验得出：截面上温度分布、浓度分布与速度分布关系如下：,19,

5、.,与动力特征类似，热力特征是：在等压的情况下，以周围气体的焓值作为起算点，射流各横截面上的相对焓值不变。,20,.,轴心温差：,质量平均温差：该温差乘Qc，便得出相对焓值。,起始段质量平均温差：,浓差温差的射流计算见表6-4,21,.,射流弯曲,温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同,所受重力与浮力不相平衡,使整个射流将发生向下或向上弯曲,但整个射流仍可看作是对称于轴心线。 取轴心线上单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力和浮力作用，推导轴心线弯曲轨迹公式。,x,y,A,A,y,x,d,射流轴线的弯曲,A,22,.,由气体状态方程式，在等压状态下，有：,j:垂直向上的加速度,23,.,将轴

6、心温差换成了轴心速度关系,24,.,将 代入，积分，并与实验数据对比后得：,记在表6-4上,25,.,为阿基米德准数,用喷嘴直径除之，得无因次轨迹方程为：,对于平面射流：,26,.,6.5 旋转射流,气流通过具有旋流作用的喷嘴外射运动。气流本身一面旋转，一面向周围介质中扩散前进，称为旋转射流。,一、基本特征,旋转是旋转射流基本特征，旋转使射流获得向四周扩散的离心力。和一般射流比较，扩散角大，射程短，射流的紊动性强。,27,.,二、旋转射流的流速分布,旋转射流的速度分解为三个分量：,（1）沿射流前进方向的轴向速度,（2）在横截面上沿半径方向的径向速度,（3）在横截面上做圆周运动的切向速度,28,

7、.,三、旋转射流压强分布,旋流器出口的旋转射流中心压力低于大气压强的，随着旋转射流沿轴向前进，静压强p越来越接近pa.旋转射流中心由于低于大气压强，具有强烈的卷吸能力。,29,.,四、旋转强度,旋转强度表征旋转射流的特性。其值越大，旋转射流的旋转越厉害，回流区越大，旋转扩散角也越大，射程越短。,30,.,6.5 有限空间射流,射流结构 边界橄榄状 有回流区 流线呈闭合状 射流分三阶段,自由扩张段 有限扩张段 收缩段,贴附射流,31,.,送、回风的形式与特点（一）上送,32,.,送、回风的形式与特点（一）上送,33,.,送、回风的形式与特点（一）上送,34,.,送、回风的形式与特点（一）上送,3

8、5,.,送、回风的形式与特点（一）上送,36,.,送、回风的形式与特点（二）中送,37,.,射流的工业应用,38,.,超高压清洗机 ultra high pressure washing machine,39,.,石油化工行业 石油开采存储行业 海洋运输与船舶业 橡胶行业 冶金行业 管道行业 汽车行业,采矿行业 民用建筑行业 民用与军用航空业 电力工业与核电工业 铁路运输业 酿造与食品加工业 市政工程与高速公路行业,超高压清洗的应用领域,40,.,平台上和储罐上的石蜡、原油沉积物的清除，钢管上的泥渣、油污及水泥渣等。,石油开采存储行业,推荐使用压力：(7001400bar),原油储罐清洗现场,

9、原油储罐超高压清洗设备,41,.,清除船体船坞，平台上的储存罐和锅炉上的海洋生、植物、浮漆及锈，水下清除管道上和钻井平台上的贝壳类动物和植物。,海洋运输与船舶业,推荐使用压力：(500700bar),42,.,本产品适用于：清洗橡胶厂的热交换器、反应器、储存罐、反应釜及管道上的胶乳，丁晴橡胶和水垢。 本设备具有体积小、压力高、流量大、运行平稳安全，配合专用清洗执行附件使用，清洗效率高。 此外设备可配有超压保护、缺水保护、油温过高保护、油位过低保护、电机过载保护、电源换向保护等基本保护措施。,橡胶行业的应用,推荐使用压力：(7001400bar),43,.,清除换热器、锅炉、加料槽、储仓的污垢，

10、轧辊清洗、轧材表面除鳞。 热交换器，烟炉，平炉，熔炉，料槽和料斗上的水垢、焦炭。矿石或石灰。,冶金行业的应用,推荐使用压力：(7001400bar),重工业用超高压水清洗机,44,.,再涂层前的除漆、除锈，清除管道连接头密封胶水及化学物质，除漆，除油，各种管道内的淤泥及沉渣清除。,管道工业的应用,推荐使用压力：(7001400bar),45,.,清洗汽车制造行业及输送机上的油漆及焊渣，喷漆室的喷台、地板格栅、排气扇的排气管、排水沟、油槽及油漆废料坑。 本设备具有体积小、重量轻、压力高、流量大、运行平稳安全。配合专用清洗执行附件使用，清洗效率高。此外，设备配有超压保护、进水口缺水保护、油温过高保

11、护、油位过低保护、电机过载保护、电源换向保护等基本保护措施。如客户需要，还可提供远程操作台配触摸屏控制、电控调节压 力和流量等操控装置，以便于操作使用。,汽车行业的应用,推荐使用压力：(7001400bar),46,.,翻斗车，机械设备及地下运输线、转轮等维修前的清洗；水切割、转孔、涨裂、石材拼图和矿井开采降尘、清除瓦斯等。,采矿工业,推荐使用压力：(500700bar)或（250350bar）+喷砂,双头超高压水清洗机,47,.,飞机跑道上的板块连接带、润滑油脂、液压油迹和橡胶物；机身清洗；复合板切割等。,民用与军用航空业,推荐使用压力：(700bar),48,.,燃料舱机清除、热交换器、预

12、热器管道的毛边及各种工具和设备清洗,电力工业和核电工业,推荐使用压力：(7001400bar),49,.,铁路车辆除尘除油脂，发动机积碳，铁路油罐车内部清洗等。,铁路运输业,推荐使用压力：(1801400bar),铁路油罐车清洗示意图,铁路罐车超高压水清洗机,50,.,沥青分布机、搅拌机、沥青及压路机、搅拌卡车和养路机器上的沥青水泥、胶合剂、油脂和脏物等。工程收尾清污。,民用建筑业的应用,推荐使用压力：(7001400bar)或（250bar+喷砂）,51,.,清洗发酵罐、管道内的发酵物和沉淀物及锅炉、管汇等 清除桶釜、混合罐、输送带、蒸发器、换热器上的油脂、污垢和残渣,酿造与食品加工业,推荐

13、使用压力：(180250bar),重工业超高压水清洗机,CQ3.5-D2高温饱和蒸汽清洗机,52,.,下水道疏通、公共卫生设施和楼宇清洗，水处理厂的钙碳垢层清除。 修路设备上的油脂、水泥、沥青，桥梁和路面标志、色污、焦油等的清楚，路面破碎。,市政工程与高速公路行业,推荐使用压力：(3501400bar),53,.,超高压水射流加工,54,.,超高压水射流加工的特点,(1) 切割时工件材料不会受热变形，切边质量较好：切口平整，无毛刺，切缝窄，宽度为0.0750.40mm。材料利用率高，使用水量也不多(液体可以循环利用)，降低了成本。 (2) 加工过程中，作为“刀具”的高速水流不会变“钝”，各个方

14、向都有切削作用，因而切割过程稳定。 (3) 切割加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排除，故可以用来切割加工木材、纸张等易燃材料及制品。 (4) 由于切割加工温度低，不会造成火灾。“切屑”混在水中一起流出，加工过程中不会产生粉尘污染，因而有利于满足安全和环保的要求。,55,.,(5) 加工材料范围广，既可用来加工非金属材料，也可以加工金属材料，而且更适宜于加工切割薄的和软的材料。 (6) 加工开始时不需退刀槽、孔，工件上的任何位置都可以作为加工开始和结束的位置，与数控加工系统相结合，可以进行复杂形状的自动加工。 (7) 液力加工过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，

15、不会有爆炸或火灾的危险。对某些材料，夹裹在射流束中的空气将增加噪声，噪声随压射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的正前角，可以降低噪声，噪声分贝值一般低于标准规定。,56,.,超高压水射流加工的应用,超高压水射流加工的流束直径为0.050.38mm,可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，也可以加工较厚的材料，最大厚度达125mm。如今，该技术在国内外许多工业部门得到了广泛应用。,57,.,超高压射流钻井,58,.,4.1 地面全增压钻井试验 70年代初，美国地面将泥浆全增压至69103MPa，在5口3000米左右井中试验，钻速为2185m/h，是常规钻速的23倍。 当喷嘴压降为1

16、04MPa时，连续性射流可以冲击破碎7080%所钻岩石。 国内胜利油田开展过25 30MPa高压喷射钻井试验，大港油田正开展35MPa、中原油田正开展50MPa高压喷射钻井试验，钻速明显提高。 设备和循环系统维护要求非常高。,59,.,4.2 双管柱钻井试验,85年开始，美国Flowdril公司研究双通道钻井新方法，整个循环系统进行了改进。 超高压液排量1.9 2.5l/s，压力230 MPa； 常规低压泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。 在Texas和Oklahoma 22口井工业试验，机械钻速是常规钻井的1.5 3.0倍。,60,.,4. 3 井下增压器钻井 1993年，美国 FlowDril

17、 公司开始研究井下超高压射流钻井。 用井下增压器将1/7 1/10的泥浆增压至 240 MPa辅助切割， 经5口井现场试验，机械钻速是普通钻井的1.1 3.5倍。,61,.,综合利用断裂力学、弹塑性力学和岩石力学的基本原理，建立了水力和机械联合破岩过程中裂纹形成和发展规律的数学模型，实验研究了齿型、射流冲击角和冲击位置、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。研制出的新型水力-机械联合破岩钻头（第三代钻头），正在进行现场实验，预计可提高机械钻速40-50%，提高钻头进尺30-40%。,水力和机械联合破岩,62,.,水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件： 一是形成的孔眼要有足够大的面积； 二是

18、形成的孔眼必须具有规则的形状； 三是具有较高的破岩效率和钻进速度。 常规的圆射流不具备这些功能，因此设计利用旋转射流。,5.2 旋转射流原理,63,.,旋转射流破岩机理不同于普通圆射流。它不单纯以冲击、拉伸、水楔作用破岩，而是以剪切破坏为主，并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式。 1、剪切破碎 利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。 2、冲蚀破碎 在垂直冲击力和横向流的联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面首先被冲蚀而脱离母体，射流对圆锥面的冲蚀作用使岩石颗粒迅速离开母体，减少了重复破碎，提高了破岩效率。 3、拉伸破碎 旋转射流冲击井底的同时，对圆锥面产生拉应力， 使岩石更容易产生垂直裂纹，裂纹在水楔作用下产生破碎。 4、旋流磨削 携带着岩屑的返回流沿孔壁旋转返回，象磨粒一样磨削已形成的孔壁，扩大并光滑孔眼，提高了钻孔质量。,64,.,高压喷射注浆法,65,.,.,66,原理及类型,一、定义 在化学注浆的基础上采用高压水射流切割技术发展起来的一种地基处理方法。 一般用钻机成孔至预定深度后，再用高压注浆流体发生设备，使水和浆液通过装在钻杆末端的特制喷嘴喷出，以高压脉动的喷射流向土体四周喷射.把一定范围内土的结构破坏，并强制与化学浆液混合，形成注浆体，同时钻杆按一定