流体力学课件6气体射流

1、1，6.1埋藏在无限空间中的湍流喷射流体通过节流孔和喷嘴流出，流入另一部分流体介质的流动现象叫做喷射。 在供热通风和空调工程中，遇到的喷气可以简单分类如下。 根据喷流的流体的种类，有气体喷流和液体喷流。 根据喷流和喷流流入空间的流体是否相同，有淹没喷流和自由喷流。 根据流出空间的大小、是否影响喷流的流动，有无限空间喷流和有限空间喷流。 流动空间大时，喷流几乎不受周围固体的边壁的影响，被称为无限空间喷流。 6.1无限空间淹没湍流喷射，2、根据喷口的形状，分为圆喷射、矩形喷射和狭缝喷射。 圆形喷气是轴对称喷气。 矩形喷出口长边之比(a:b )在3:1以下时，矩形喷流迅速发展成圆形喷流，可以根据直径

2、用圆形喷流式计算。 如果矩形喷嘴的长边比例超过10:1，则属于狭缝喷射，狭缝喷射也称为平面喷射。 根据喷流的流动，有层流喷流和湍流喷流。 气体淹没喷流的流状态一般为湍流，几乎不存在层流喷流。 6.1无限空间淹没湍流喷射，3 .本节讨论的是无限空间气体湍流喷射，只是气体湍流喷射。 喷射流的温度与周围的气体相同。 本节主要研究气体湍流射流的运动规律。 6.1.1.1喷流的形成和结构以目前无限空间中圆形截面湍流喷流为例，分析了喷流的运动情况。 图6.1喷射的结构是，气体从节流孔或喷嘴以一定的流速喷出后，喷射成为乱流流状态，因此乱流的横向脉动与喷射交换周围的气体的运动量，将相邻的静止流体缠绕在喷射上，

3、两者一起向前方移动，因此喷射的过流截面不断6.1.1气体湍流喷气的基本特性，6.1无限空间湍流喷气，4，图6.1喷气的结构，6.1无限空间湍流喷气，5，喷气的动量交换和缠绕作用从外向逐渐发展，喷气中心的气体还赶不上与周围气体的相互作用，维持原来的喷气流速另一方面，喷气核以外的区域的流速比v0小，被称为边界层。 由于缠绕的强化，参与运动量交换的气体量增加了。 喷射边界层的范围从喷口向喷射方向扩大，喷射芯区域不断减少，如图所示从喷口到sn的地方，即到达截面boe，边界层向喷射芯扩展，喷射芯消失，该截面称为过渡截面或临界截面。 以过渡截面为界，从喷口到过渡截面称为喷射的开始段。 过渡截面以后的喷气称

4、为喷气主体段。 开始段的喷流轴心的速度都为v0，主体段的轴心的速度在x方向上下降。 6.1无限空间淹没湍流射流，6，6.1.1.2射流的特征通过实验表明，湍流射流的基本特征由以下三个方面表现： (1)几何特征无限空间淹没湍流射流不受周围固体边壁的影响，由图6.1可见两边界的角度的一半称为射流的极角或扩散角，用符号表示。 将从喷口的轴心延长的x轴方向作为圆截面喷流的对称轴，将从喷流的任一截面的轴心到边界线的距离作为其截面的半径r (将平面喷流称为半高度b )。 喷流的任意截面的半径(或半高度)与从该截面到极点的距离成比例。6.1无限空间淹没了湍流射流，7、射流的极角大小与湍流强度和射流截面的形状

5、有关，可用下式计算(式6.1 )。 a湍流系数。 该值依赖于喷出口的构造形态和通过喷出口的气流的紊乱程度的k喷出口的形状系数也被称为实验系数，对于圆形喷出口，k=3.4 (只要喷出口的长边比不超过矩形喷出口，也可以用圆形喷出口计算)。 狭缝状喷出口k=2.44。 从上式可以看出，喷流极角的大小依赖于湍流系数，湍流强度越大，喷流的缠绕能力就越强，吸入到喷流中的周围气体的数量越多，扩散角也越大。 6.1无限空间淹没了湍流射流，8、表6.1中示出了常用喷口的湍流系数和对应的扩散角。 表6.1中常用的喷口的湍流系数、扩散角、6.1无限空间淹没湍流喷射，9、扩散角确定后，喷射边界也相应地确定，因此喷射只

6、能以这样的扩散角进行扩散运动。 也就是说，喷流的各截面的半径(相对于平面喷流的半高度)成比例，这是喷流的几何特征。 根据该特征，可以计算圆截面喷流的各截面半径沿射程的变化规律，与图6.1中用直径表示的对比，(式6.2 )、6.1无限空间淹没了湍流喷流，10 )、(2)运动特征是通过湍流喷流的质点的横向脉动，喷流的质点和周围的气体交换运动量，形成周这种缠绕作用使喷流各断面的半径和流量随着射程的增大而增大，流速逐渐减少。 在喷流主体部的各截面上流速分布也不同，轴心流速沿着喷流的流动逐渐减少，流速分布图扁平化的是喷流和配管流动的不同。 6.1无限空间淹没了湍流喷射，11、对于整个喷射，沿着飞程的各截

7、面的流速在逐渐衰减，但被卷入的流体和喷射气体的动量交换强度从外向内逐渐变弱，因此各截面的轴心的流速最大，从轴心向外流速从最大值逐渐减少到零因此，虽然各断面的流速分布不同，但通过大量实验得到的数据的无量纲化整理，发现喷流主体段的各断面的无量纲速度和无量纲距离之间是有同一性的。 在此，所谓无量纲速度，是指喷流横截面上任意一点流速u和同一截面上的轴心流速um之比，即6.1无限空间淹没湍流喷流，12，所谓无量纲距离，是指从上述喷流横截面上的任意一点到轴心的距离y和同一截面上的喷流半径r之比，即喷流主体级的任意截面的无量纲速度和无量纲距离主体段的任一截面上从轴心到外边界的各点的流速与截面轴心流速之比的变

8、化规律为10，从各点到轴心的距离与截面半径之比的变化规律为01。 根据这样的规律，若知道求出的截面和到喷口的距离，利用几何学上类似的原理求出其截面的半径，只求出其截面轴心的流速，则能够利用上式求出该截面的任意点的气流速度。(式6.3 )、6.1无限空间淹没了湍流喷射，13 )、(3)动力特性实验发现，在喷射全域，任意点的压力与周围静止气体的压力相等。 以两横截面之间的喷流为控制体，分析作用于其上的所有外力，由于各断面受到的静压相等，所以控制体上的所有外力之和为零。 因此，可以从动量方程式导出，单位时间内的射流在各横截面上的运动量相等。 这就是气体湍流喷气的动力特性。 这是理论上导出喷气各运动参

9、数计算公式的主要依据。 6.1无限空间淹没了湍流喷射，14、根据喷射的结构，喷射沿射程分为起始段和主体段。表6.2喷流主体段参数的计算公式，6.1.2喷流主体段运动参数的计算，6.1无限空间淹没湍流喷流，15、圆截面喷流中的运动参数如下： um喷流主体段任意截面轴心流速，m/s； v0喷嘴的气流流速、m/s； a湍流系数s截面到喷口的距离，m； d0灯头直径，m； q喷射主体段任意截面的流量、m3/s； q0喷射喷出口的流出量、m3/s； v1喷射主体段截面上各点流速的算术平均值、m/s； v2质量平均流速，m/s。 因为6.1无限空间淹没湍流喷射，16、17、v10.2um，截面平均流速仅为

10、同截面轴心流速的20，在实际工程中多使用接近轴心的喷射区。 由于截面平均流速和轴心流速有很大差异，在施工中用截面平均流速进行设计和计算，有关设备(如风扇)会变得过大，造成浪费。 因此，v1不能适当地反映被使用区的速度。 因此导入质量平均流速v2，其定义是将质量流量q乘以v2，求出单位时间内的喷流的任意截面的运动量。 在这种情况下，因为v20.47um，所以与v1相比，用v2表示使用区的流速更好。 但是，必须注意，v1、v2不仅在数值上不同，而且在定义上有根本的差异，所以不能混淆。 6.1无限空间淹没湍流射流，18、从圆形喷口或矩形喷口喷出的射流，是以喷口的轴心延长线为对称轴的圆截面轴对称射流。

11、 但是，长方形的喷出口的长边的比率超过10:1时，从喷出口喷出的喷流只能在垂直长度的平面上进行扩散运动。 如果狭缝相当长，则此流动被视为平面运动，因此称为平面喷射。 平面喷流的喷出口的高度用2b0(b0是喷出口的一半高度)表示，乱流系数a的值参照表6.1，或调查了换气空调设计手册的内容。 狭缝状喷出口的形状系数=2.44。 在平面射流的计算式中，b0是狭缝喷嘴的一半高度，其馀各参数的意思与圆截面射流相同。 【例题6.1】众所周知，在锻工现场设置了空气淋浴(工作场所送风)设备，送风口距地板的高度为4.5m，所选择的风口为带栅栏的圆形风口。 距离地面1.5m处需要空气淋浴作用区，该区的直径为2m，

12、中心部的流速为2m/s。 求出羽口径、出口流速、送风量。 6.1无限空间淹没了湍流射流，19、6.2温差或浓差射流和射流弯曲与前一节所研究的射流和周围气体的温度和密度相同。 因此，喷流的轴线与喷口流速v0的方向相同，形成直线，该喷流称为等温喷流。 但是，在供热换气和空调工程中，相关的喷流多与周围的流体有温度差和包含的固体粒子和其他物质的浓度差，这样的喷流被称为温度差喷流和浓度差喷流。 夏天向房间输送冷空气，冬天向房间输送暖空气，加热的就是温差喷气的例子。 向粉尘浓度高或产生大量有害气体的生产现场输送清洁空气，降低粉尘和有害气体的浓度，改善车间环境，是一种浓密的喷气。 6.2温差或浓差喷射和喷射

13、弯曲，20，与周围气体有温差或浓度差的喷射，从喷射口高速喷出后，由于湍流质点运动的横向混合，喷射除了与周围气体进行动量交换外，还存在热交换和浓度交换。 温差喷气、热交换的结果，原来的温度低的气体温度上升，原来的温度高的气体温度下降。 因此，喷流各断面的温度分布不同，同样，喷流各断面的浓度分布也不同，喷流内出现温度和浓度不均匀的连续分布。 供热通风和空调工程出现的温差和浓度差一般不大，密度变化小，分析中也能用非压缩流体处理，也不考虑异质存在对流动的影响。 6.2.1温度差或浓度差喷射、6.2温度差或浓度差喷射和喷射弯曲、21、温度差或浓度差喷射要研究的参数。温差喷射： t喷射任意截面上的任意点的

14、温度，k； t0喷口处的喷流温度、k； 在tm喷气任意截面轴心处的温度，k； te周围的空气温度，k。 浓差射流： x射流任意截面上任意点的物质浓度、mg/l或g/m3； 在x0喷出口的喷射的某物质的浓度在xm喷射的任意截面轴心上的某物质的浓度在xe周围的空气中的某物质的浓度。 6.2根据温差或浓差射流和射流的弯曲、22、以上参数，必须掌握温差或浓度差的变化规律。 对应的温度差和浓度差为温度差喷射：出口截面温度差t0=t0-te轴心温度差tm=tm-te喷射的任一截面上的任意点的温度差t=t-te对浓度差喷射：出口截面浓度差x0=x0-xe轴心浓度差xm=xm-xe喷射的任一截面上的任意点6.

15、2温差或浓度差射流与射流弯曲，23温差射流中各截面的温度分布不同，但在热力学上，在射流压力相等的条件下，如果以周围气体的焓为基准，射流各截面的相对焓不变化。 温差喷气的特征被称为喷气的热特性。 实验证明，在喷流主体部分，各横截面的温度差分布、浓度差分布和流速分布之间存在以下关系，温度差喷流和浓度差喷流是完全不同的喷流，而各横截面的温度差分布和浓度差分布与第三节讨论的无量纲流速和无量纲距离的函数关系相同。 这是因为温差喷气与浓差喷气本质上没有差异，也就是说，这两种喷气与周围的气体密度不同。(式6.4 )、6.2温差或浓度差喷射和喷射弯曲、24、表6.3温差、浓度差喷射主体段的计算式、6.2温差或

16、浓度差喷射和喷射弯曲、25、表6.3、6.2温差或浓度差喷射和喷射弯曲、26、温度差喷射也就是说，温度差和浓淡差的喷流的轴心线不是与喷出口的轴线方向相同的直线，而是曲线。 但是，可以看作是整个喷射流对称于轴心线。 为了利用先前介绍的公式，计算沿着喷气射程的运动参数、温度差和浓度差的变化规律，有必要知道喷气轴心线的偏移量及其轨迹。 图6.2喷射轴线的弯曲、6.2温差或浓差喷射和喷射弯曲、27、通过理论导出和实验，圆截面温差和浓差喷射的轴线偏差量可以计算下式(式6.5 )中的y喷射轴线上的任意点距喷射轴线的垂直距离，m 参照图6.2，d0喷嘴的直径，m； a湍流系数s射流计算截面到喷口的距离，m； ar阿基米德的数量是没有原因的量。 6.2温差或浓淡差射流和射流弯曲、28、圆截面温差射流、阿基