流体力学06气体射流课件.ppt

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1、12023/1/2 第六章第六章第六章第六章 气体射流气体射流气体射流气体射流 61 无限空间淹没紊流射流的特征无限空间淹没紊流射流的特征 62 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析 63 平面射流平面射流 64 温差或浓差射流温差或浓差射流 66 有限空间射流有限空间射流22023/1/2 气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态，叫做紊流射体淹没射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态，叫做紊流射流。工程上所应用的射流，多为气体紊流射流。流。工程上所应用的射流，多为气体紊流射流。射流讨论的

2、是出流后的流速场、温度场和浓度场。射流讨论的是出流后的流速场、温度场和浓度场。射流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限射流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限空间射流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。射流。第六章第六章 气体射流气体射流 32023/1/26-1 6-1 无限空间淹没紊流射流的特征无限空间淹没紊流射流的特征 现以无限空间中圆断面紊流射流为例，讨论射流运动。现以无限空间中圆断面紊流射流为例，讨论射流运动。气流自半径为气流自半径为 R 的圆断面喷嘴喷出。出口断面上的速度的圆断面喷嘴喷出。出口

3、断面上的速度认为均匀分布，皆为认为均匀分布，皆为 u0 值，且流动为紊流。取射流轴线值，且流动为紊流。取射流轴线Mx为为x 轴。轴。由于射流为紊流型，紊流的横向脉动造成射流与周围介质由于射流为紊流型，紊流的横向脉动造成射流与周围介质之间不断发生质量、动量交换，带动周围介质流动，使射流的之间不断发生质量、动量交换，带动周围介质流动，使射流的质量流量、射流的横断面积沿质量流量、射流的横断面积沿 x 方向不断增加，形成了向周围方向不断增加，形成了向周围扩散的锥体状流动场，如图扩散的锥体状流动场，如图61所示的锥体所示的锥体CAMDF。42023/1/2 图 61 射流结构紊流射流的结构及特性。紊流射

4、流的结构及特性。52023/1/2一、过流断面（又称转折断面）起始段及主体段一、过流断面（又称转折断面）起始段及主体段 刚喷出的射流速度仍然是均匀的。沿刚喷出的射流速度仍然是均匀的。沿 x 方向流动，射流不方向流动，射流不断代入周围介质，不仅使边界扩张，而且使射流主体的速度逐断代入周围介质，不仅使边界扩张，而且使射流主体的速度逐渐降低，速度为渐降低，速度为 u0 的部分（如图其的部分（如图其61 AoD 锥体）称为射流锥体）称为射流核心，其余部分速度小于核心，其余部分速度小于 u0 称为边界层。射流边界层从出口称为边界层。射流边界层从出口开始沿射程不断地向外扩散，带动周围介质进入边界层，同时开

5、始沿射程不断地向外扩散，带动周围介质进入边界层，同时向射流中心扩展，至某一距离处，边界层扩展到射流轴心线，向射流中心扩展，至某一距离处，边界层扩展到射流轴心线，核心区域消失，只有轴心上速度为核心区域消失，只有轴心上速度为 u0。射流这一断面为图。射流这一断面为图61上的上的 BoE,称为过渡断面或转折断面。以过渡断面分界，出称为过渡断面或转折断面。以过渡断面分界，出口断面至过渡断面称为射流起始段。过渡断面以后称为射流主口断面至过渡断面称为射流起始段。过渡断面以后称为射流主体段。体段。62023/1/2二、紊流系数二、紊流系数 a 及几何特征及几何特征 射流外边界层是一条直线，如图射流外边界层是

6、一条直线，如图61上的上的 AB及及 DE 线。线。AB、DE 延至喷嘴内交于延至喷嘴内交于 M 点，此点称为极点，点，此点称为极点，的的一半称为一半称为极角极角 a a ,又称扩散角又称扩散角 a a 。式中式中 K试验常数；试验常数；f f喷口形状系数，圆形喷嘴，喷口形状系数，圆形喷嘴，f f3.43.4；a紊流系数紊流系数，由实验决定，是表示射流流动结构的，由实验决定，是表示射流流动结构的特征系数。特征系数。Bo为圆断面射流截面的半径为圆断面射流截面的半径 R（或平面射流边界层的（或平面射流边界层的半宽度半宽度 yb）。它和从极点起点算的距离成正比，即）。它和从极点起点算的距离成正比，即

7、 Bo Kx。oM 是从极点起算的是从极点起算的 x 距离。由图看出，距离。由图看出，Bo/oM=tan a,故故72023/1/2 紊流系数紊流系数 a 与出口断面上紊流强度有关，紊流强度越大，与出口断面上紊流强度有关，紊流强度越大，a 值也大，使射流扩散角值也大，使射流扩散角 a 增大，被带动的周围介质增多，射增大，被带动的周围介质增多，射流速度沿程下降加速。流速度沿程下降加速。a 还与射流出口断面上速度分布的均匀还与射流出口断面上速度分布的均匀性有关。各种不同形状喷嘴的紊流系数和扩散角的实测值列表性有关。各种不同形状喷嘴的紊流系数和扩散角的实测值列表61。紊 流 系 数表61 喷 嘴 种

8、 类 带有收缩口的喷嘴 圆柱形管带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管 喷 嘴 种 类带金属网格的轴流风机收缩极好的平面喷口平面壁上锐缘狭缝具有导叶且加工磨圆边口的风道上纵向缝82023/1/2 由（由（61）式可知，）式可知，a 值确定，射流边界层的外边界线也值确定，射流边界层的外边界线也就被确定，射流即按一定的扩散角就被确定，射流即按一定的扩散角 a 向前作扩散运动，这就是向前作扩散运动，这就是它的几何特征。应用这一特征，对圆断面射流可求出射流半径它的几何特征。应用这一特征，对圆断面射流可求出射流半径沿射程的变化规律。沿射程的变化规律。92023/1/2大量实验研究表明，射流各截面上速

9、度分布具有相似性。大量实验研究表明，射流各截面上速度分布具有相似性。三、运动特征三、运动特征102023/1/2112023/1/2122023/1/2132023/1/2142023/1/2特留彼尔特留彼尔主体段内无因次距离与无因次速度的取法规定：在上式中，0.5vm点表示速度为轴心速度的一半之处的点。阿勃拉莫维奇阿勃拉莫维奇整理起始段时，所用无因次量为152023/1/2 用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布如下：用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布如下：经过这样整理使得出书中图经过这样整理使得出书中图63b。可以看到原来各截面不。可以看到原来各截面不同的速度分布曲线，

10、经过这样变换均成为同一条无因次分布线。同的速度分布曲线，经过这样变换均成为同一条无因次分布线。这种同一性说明射流各截面上速度分布的相似性。这就是射这种同一性说明射流各截面上速度分布的相似性。这就是射流的运动特征。流的运动特征。令令 由此得出由此得出 y/R 从轴心或核心边界到射流外边界的变化范围为从轴心或核心边界到射流外边界的变化范围为 0 1。从轴心或核心边界到射流边界的变化范围为从轴心或核心边界到射流边界的变化范围为1 0。162023/1/2四、动力特征四、动力特征 实验证明，射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压实验证明，射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。现取强。现取6-5

11、中中1-1、2-2所截的一段射流脱离体，分析其上受力所截的一段射流脱离体，分析其上受力情况。因各面上所受静压强均相等，则情况。因各面上所受静压强均相等，则 x 轴外力之和为零。据轴外力之和为零。据动量方程可知，各横截面上动量相等动量方程可知，各横截面上动量相等动量守恒，这就是射流动量守恒，这就是射流的动力学特征。的动力学特征。以圆断面射流为例应用动量守恒原理以圆断面射流为例应用动量守恒原理 出口截面上动量流量为出口截面上动量流量为 ，任意横截面上的动，任意横截面上的动量流量则需积分。量流量则需积分。列动量守恒式列动量守恒式172023/1/2图图 6-5 射流计算式的推证射流计算式的推证182

12、023/1/26-2 6-2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析 现在根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度现在根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度 ，流量，流量Q 沿射程沿射程 s（或（或 x）的变化规律。）的变化规律。一、主体段轴心速度一、主体段轴心速度应用式6-4192023/1/2 按前述 及 的变化范围，B2 的数值列于表62。表 62202023/1/2212023/1/2二、起始段核心长度二、起始段核心长度 及核心收缩角及核心收缩角 起始段核心长度起始段核心长度核心收缩角核心收缩角由式（由式（6-2-1），将），将 vm=v0，s=sn，代入，代入222023/1/2三、

13、三、主体段主体段断面流量断面流量 Q取无因次流量，取无因次流量，查表查表6-2，B1=0.0985;再将（再将（6-1-2），（），（6-2-1）式代入）式代入232023/1/2无因次断面平均流速为：无因次断面平均流速为：将（将（612），（），（622）式代入得）式代入得四、四、主体段主体段断面平均流速断面平均流速242023/1/2五、五、主体段主体段质量平均流速质量平均流速v2 质量平均流速定义为：用质量平均流速定义为：用 乘以质量即得真实动量。列乘以质量即得真实动量。列出口截面与任一横截面的动量守恒式：出口截面与任一横截面的动量守恒式：比较（比较（621）与（）与（624）式，）式，

14、。因此用。因此用 代表使用区的流速要比代表使用区的流速要比 更合适。但必须注意，更合适。但必须注意，、不仅在不仅在数值上不同，更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。数值上不同，更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。252023/1/2解 由表61查得 a0.12。用（621）式例例61 用轴流风机水平送风，风机直径用轴流风机水平送风，风机直径 d0=600 mm。出口风。出口风速速 10 m/s,求距出口求距出口 10 m 处的轴心速度和风量。处的轴心速度和风量。262023/1/2六、起始段核心长度六、起始段核心长度 及核心收缩角及核心收缩角 起始段核心长度起始段核心长度核心收缩角核心收缩角

15、由式（由式（6-2-1），将），将 vm=v0，s=sn，代入，代入272023/1/2七、起始段流量七、起始段流量经计算化简得整个截面上流量为：经计算化简得整个截面上流量为：282023/1/2八、起始段断面平均流速八、起始段断面平均流速九、起始段质量平均流速九、起始段质量平均流速292023/1/26-36-3 平面射流平面射流 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。动，故称为平面射流。平面射流喷口高度

16、以平面射流喷口高度以2b0（b0半高度）表示，半高度）表示，a值见表值见表6-1后后三项；三项；j j值为值为2.44，于是，于是tan a2.44a。而几何、运动、动力特。而几何、运动、动力特征则完全与圆断面射流相似。所以各运动参数规律的推导基本征则完全与圆断面射流相似。所以各运动参数规律的推导基本与圆断面类似，这里不再推导，列公式于表与圆断面类似，这里不再推导，列公式于表6-3中。中。302023/1/2射流参数的计算表63段名主 体 段 参数名称序号 圆断面射流平面射流 扩散角射流直径或半高度 流量断面平均流速质量平均流速轴心速度aDd312023/1/2起始段 流量断面平均流速质量平均

17、流速核心长度喷嘴至极点距离收敛角322023/1/26-4 6-4 温差或浓差射流温差或浓差射流 在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，这在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，这时就要用温差射流。将有害气体及灰尘浓度降低就要用浓差射时就要用温差射流。将有害气体及灰尘浓度降低就要用浓差射流。所谓温差、浓差射流就是射流本身的温度或浓度与周围气流。所谓温差、浓差射流就是射流本身的温度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。体的温度、浓度有差异。温差或浓差射流分析，主要是研究射流温差、浓差分布场温差或浓差射流分析，主要是研究射流温差、浓差分布场的规律。同时讨论由温差、浓差引起射流弯曲的

18、轴心轨迹。的规律。同时讨论由温差、浓差引起射流弯曲的轴心轨迹。在射流的形成过程中，会产生横向动量交换，旋涡的出现，在射流的形成过程中，会产生横向动量交换，旋涡的出现，使之质量交换，热量交换，浓度交换。在这些交换中，热量扩使之质量交换，热量交换，浓度交换。在这些交换中，热量扩散比动量扩散要快些，因此温度边界比速度边界层发展要快些散比动量扩散要快些，因此温度边界比速度边界层发展要快些厚些，如图厚些，如图6-6所示。实线为速度边界层，虚线为温度边界层所示。实线为速度边界层，虚线为温度边界层的内外界线。的内外界线。332023/1/2 浓度扩散与温度相似，在实际应用中，为了简化起见，浓度扩散与温度相似

19、，在实际应用中，为了简化起见，可以认为，温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。可以认为，温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。(a)(b)图6-6 温度边界层与速度边界层的对比342023/1/2对温差射流：对温差射流：出口断面温差出口断面温差 轴心上温差轴心上温差截面上任一点温差截面上任一点温差出口断面浓度出口断面浓度轴心上浓差轴心上浓差断面上任意一点浓差断面上任意一点浓差设以足标设以足标e表示周围气体的符号。表示周围气体的符号。对浓差射流：对浓差射流：352023/1/2 试验得出，截面上温差分布，浓差分布与速度分布关系试验得出，截面上温差分布，浓差分布与速度分布关系如下：如下：6

20、-15 在等压的情况下，以周围气体的焓值作为起算点，射流各在等压的情况下，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。这一特点称为热力特征。横截面上的相对焓值不变。这一特点称为热力特征。设喷嘴断面上单位时间的相对焓值为设喷嘴断面上单位时间的相对焓值为 ，射流任意，射流任意横截面上单位时间通过的相对焓值横截面上单位时间通过的相对焓值 。362023/1/2一、轴心温差一、轴心温差根据相对焓值相等根据相对焓值相等，得：，得：两端除以两端除以 ，并将，并将6-4-1式代入，其推导与第二式代入，其推导与第二节方法类似。节方法类似。372023/1/2二、质量平均温差二、质量平均温差382

21、023/1/2三、起始段质量平均温差三、起始段质量平均温差 对于浓差射流其规律与温差射流相同。所以温差射流公对于浓差射流其规律与温差射流相同。所以温差射流公式完全适用于浓差射流。式完全适用于浓差射流。各参数计算公式列于各参数计算公式列于6-4。392023/1/2浓差温差的射流计算表6-4段名主体段参数名称轴心温差质量平均温差轴心浓差符号圆 断 面 射 流平 面 射 流402023/1/2续表段名主体段参数名称质量平均温差符号圆 断 面 射 流平 面 射 流质量平均浓差质量平均浓差起 始 段轴线轨迹方程412023/1/2四、射流弯曲四、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

22、的重温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同，所受的重力与浮力不相平衡，使整个射流将发生向下或向上弯曲，见图力与浮力不相平衡，使整个射流将发生向下或向上弯曲，见图6-7。但整个射流仍可看作是对称于轴心线。因此了解轴心线。但整个射流仍可看作是对称于轴心线。因此了解轴心线的弯曲轨迹后，便可得出整个弯曲的射流。的弯曲轨迹后，便可得出整个弯曲的射流。图6-7 射 流 轴 线 的 弯 曲422023/1/2432023/1/2 由加速度、速度以及位由加速度、速度以及位移三者之间的关系有：移三者之间的关系有：442023/1/2 采用近似的处理方法：取轴心线上的单位体积流体作为采用近似的处理方法：取轴心线

23、上的单位体积流体作为研究对象，只考虑受重力与浮力作用，应用牛顿定律和实验研究对象，只考虑受重力与浮力作用，应用牛顿定律和实验数据，导出半经验公式列于表数据，导出半经验公式列于表6-4中。如下：中。如下：该公式中：该公式中：，成为阿基米德准数。，成为阿基米德准数。452023/1/2例例 6-3 工作地点质量平均风速要求3m/s，工作面直径D2.5m，送风温度为15，车间空气温度30，要求工作地点的质量平均温度降到25，采用带导叶的通风机，其紊流系数a0.12。求（1）风口的直径及速度；（2）风口到工作面的距离。解解 温差求出 ，代入下式462023/1/2所以工作地点质量平均风速要求3m/s因

24、为 所以（2）风口到工作面距离 s 可用下式求出472023/1/2一、有限空间射流结构一、有限空间射流结构 通常，工程中射流并不是射入无限大空间，因房间尺寸有通常，工程中射流并不是射入无限大空间，因房间尺寸有限，限制了射流的扩散运动，此时自由射流规律不再适用，须限，限制了射流的扩散运动，此时自由射流规律不再适用，须重新研究其运动规律。目前，理论上还没有成熟的结果，大多重新研究其运动规律。目前，理论上还没有成熟的结果，大多是由实验得到的经验公式或无因次曲线，现作简介。是由实验得到的经验公式或无因次曲线，现作简介。图图6-17所示为有限空间射流流场结构。从射流出口至所示为有限空间射流流场结构。从

25、射流出口至 I-I断断面，因固体壁面尚未妨碍射流的扩展，射流的发展按照自由射面，因固体壁面尚未妨碍射流的扩展，射流的发展按照自由射流的规律，计算亦可用自由射流公式。称流的规律，计算亦可用自由射流公式。称I-I断面为第一临界断断面为第一临界断面。面。6-6 6-6 有限空间射流有限空间射流482023/1/2 图67 有限空间射流流场 图617 有限空间射流流场自由扩张段自由扩张段有限扩张段有限扩张段收缩段收缩段涡流段涡流段492023/1/2 从从I-I断面开始，射流的扩展受到影响，卷吸周围流体的断面开始，射流的扩展受到影响，卷吸周围流体的作用减弱，因而射流断面的扩大以及流量的增加比较缓慢，作

26、用减弱，因而射流断面的扩大以及流量的增加比较缓慢，达到达到II-II断面，射流流线开始越出边界层产生回流，射流流断面，射流流线开始越出边界层产生回流，射流流量开始沿程减少，因而射流流量在量开始沿程减少，因而射流流量在-断面取得最大值。由断面取得最大值。由实验得知，该处的回流平均流速、回流流量亦为最大。称实验得知，该处的回流平均流速、回流流量亦为最大。称-断面为第二临界断面。断面为第二临界断面。从从-断面以后，射流主体流量、回流流量、回流平均断面以后，射流主体流量、回流流量、回流平均流速都依次变小，直至流速都依次变小，直至-断面，射流主体流量减至为零。断面，射流主体流量减至为零。这样，有限空间射

27、流可以划分为三段：这样，有限空间射流可以划分为三段：（1）自由扩张段，喷口至第一临界断面；）自由扩张段，喷口至第一临界断面；（2）有限扩张段，第一临界断面至第二临界断面；）有限扩张段，第一临界断面至第二临界断面；（3）收缩段，第二临界断面以后。）收缩段，第二临界断面以后。502023/1/2 形成呈半个橄榄状的流场，相当于完整的有限空间射流的一半，而回流区集中在射流主体下部与地面间，其运动规律与有限空间射流相同，看作有限空间射流的一半。有限空间射流不同于自由射流的重要特征是橄榄形边界外部存在与射流方向相反的回流区，而空调工程中工作区通常就设在回流区内，因此对回流区的风速有限定要求。回流平均速度

28、 的半经验公式为 射流结构还与喷嘴的安装位置有关。如喷嘴安装在房间高度、宽度的中央处，射流结构上下对称，左右对称，射流主体呈橄榄形，四周为回流区。但实际送风时多将喷嘴靠近顶棚安置，如安装高度h与房高H为 时，射流出现贴附现象，二、贴附射流二、贴附射流512023/1/2 与自由射流不同，如把喷口贴近顶棚或墙壁布置，如图6-19所示，则由于壁面的限制，壁面处不能卷吸空气，速度衰减慢，因而流速大，静压小，而另一侧则流速小，静压大，使得气流贴附于壁面流动，并称之为贴附射流。图 619 贴附射流522023/1/2 由于贴附射流仅一面卷吸周围流体，故衰减较慢，射程较同样喷口的自由射流为长。贴附射流可视

29、为完整射流得一半，其规律不变，因而可按风口断面加倍，出口流速不变的完整射流进行计算。也就是说，计算中只需将自由射流公式的送风口直径d0代以 d0，对于平面射流，则需将风口半高度 b0代以2b0。532023/1/2 有限空间射流不同于自由射流的重要特征是橄榄形边界有限空间射流不同于自由射流的重要特征是橄榄形边界外部存在与射流方向相反的回流区，而空调工程中工作区通外部存在与射流方向相反的回流区，而空调工程中工作区通常就设在回流区内，因此对回流区的风速有限定要求。回流常就设在回流区内，因此对回流区的风速有限定要求。回流平均速度平均速度 的半经验公式为的半经验公式为三、半经验公式三、半经验公式 6-

30、6-1542023/1/2 式中，为喷嘴出口速度、直径；F为垂直于射流的房间横截面积；为射流截面至极点的无因次距离；a为紊流系数。6-6-1a 若根据设计要求，在距离L处，要求射流回流平均流速为某一限定值 ，则由式6-6-1得6-6-1c 在断面上，回流流速为最大，以 表示，由实验得对应 ，代入上式得最大回流速度为552023/1/2联立式6-6-1a和式6-6-1c可得6-6-2 工程设计中 与 由设计者限定，故 相当于已知，由此可解出 ，为简化计算给出表6-5。由 ，查表6-5得到后可由 求出 。以上所给出公式适用于 或 的贴附射流，当 时，射流为完整的有限空间射流，计算时应以 代替 ，即

31、可求得此时的射程 。562023/1/2表6-5 无因次距离0.070.100.150.200.300.400.500.600.751.001.251.500.420.430.440.460.470.480.400.410.420.440.460.470.370.380.400.420.430.440.350.370.380.400.410.430.310.330.350.370.390.400.280.300.330.350.370.38572023/1/2四、末端涡流区四、末端涡流区 从喷嘴出口截面至收缩段终了IV-IV截面的射程长度L4，可用下列半经验公式计算：在房间长 度大于L4情况下

32、，实验证明在封闭末端产生涡流区，涡流区的出现是通风空调工程所不希望的，应当消除。582023/1/2 第六章第六章 习习 题题 61 已知空气淋浴地带要求射流半径为1.2 m，质量平均流速 。圆形喷嘴直径为0.3 m。求（1）喷口至工作地带的距离 s;(2)喷嘴流量。解（1）由61查得紊流系数 a=0.08。（2）求 s，由（612）式知，592023/1/2（4）求流量Q0应用主体段质量平均流速公式（624）求得出口速度 ：（3）求核心长度 sn 由式（621），,s=sn,代入，解得 602023/1/2习题习题 6-2 室外空气以射流方式，由位于热车间外墙上离地板7.0m处的孔口送入。孔口的尺寸，高0.35m，长12m。室外空气的温度为10，室内空气温度为20，射流初速度为2m/s，求地板上的温度。解解:a取为0.12计算 612023/1/2计算求出 用轴心温差公式622023/1/2例例 6-3 数据与例62题相同，求射流在工作面的下降值 （图6-5）。解解:周围气体温度Te273+30303k 图 65射流的下降