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1、工程流体力学工程流体力学北方民族大学化工学院北方民族大学化工学院任课教师：康亚明任课教师：康亚明穷究于理，成就与工穷究于理，成就与工2011年年5月月27日日内容回顾核心问题核心问题1：管路的串联与并联管路的串联与并联一、串联管路一、串联管路1.1.各管段的流量相等各管段的流量相等2.2.总损失等于各段管道中损失之和总损失等于各段管道中损失之和串联管路的两类计算问题串联管路的两类计算问题ABH21（1）已知串联管道的流量）已知串联管道的流量Q，求总水头求总水头H ；（2）已知总水头）已知总水头H，求串联管道的流量求串联管道的流量Q。知道电流知道电流求电阻求电阻知道电阻知道电阻求电流求电流-并联
2、管路流量分配规律并联管路流量分配规律两类计算问题两类计算问题AQQ1 d1 hl1Q2 d2 hl2Q3 d3 hl3BQ（1）已知）已知A点和点和B点的静水头线高度（即测压管水头点的静水头线高度（即测压管水头z+p/)，求总流量求总流量Q；（2 2）已知总流量）已知总流量Q，求各分管道中的流量及能量损失。求各分管道中的流量及能量损失。1.现象：现象：核心问题核心问题2 2、有压管中的水击问题、有压管中的水击问题 能量守恒观点：能量消耗的过程能量守恒观点：能量消耗的过程 动量定理观点：动量转化为冲量的过程动量定理观点：动量转化为冲量的过程 内在原因：液体有惯性和压缩性内在原因：液体有惯性和压缩
3、性 外在原因：液流速突然发生变化外在原因：液流速突然发生变化 在在流流体体有有压压管管道道中中，某某种种原原因因突突然然使使液液流流速速度度发发生生变变化化，引引起起压压强强大大幅幅度度波波动动的的现现象象，称称为为水水击击。水击压强可达管中正常压强的几十甚至几百倍。水击压强可达管中正常压强的几十甚至几百倍。2.产生原因产生原因产生噪声产生噪声产生振动（剧烈）产生振动（剧烈）破坏阀门破坏阀门管道断裂泄漏管道断裂泄漏管道爆裂管道爆裂水泵受损水泵受损压力表弹性元件塑性变形压力表弹性元件塑性变形3.3.危害：危害：4.4.消除和防止措施消除和防止措施方法方法原理原理（1 1）延延长长阀阀门门的的启启
4、、闭闭时时间间尽尽量减短管道长度量减短管道长度避免发生直接水击避免发生直接水击（2 2）加大管径，限制流速）加大管径，限制流速降低降低p pmaxmax（3 3）在在管管道道中中的的阀阀门门前前安安装装溢溢流阀（液体安全阀）或调压塔流阀（液体安全阀）或调压塔排放超出安全许用的压强脉冲排放超出安全许用的压强脉冲（4 4）在在管管道道中中的的阀阀门门前前安安装装蓄蓄压压器器，贮贮气气罐罐等等，或或在在低低压压管管中中接一橡胶管段。接一橡胶管段。吸吸收收水水击击能能量量加加大大管管系系的的弹弹性性，降低降低a a值，使值，使p pmaxmax下降。下降。消除和防止措施消除和防止措施第六章第六章 气体
5、射流气体射流知识要点知识要点知识要点知识要点6-1 6-1 6-1 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6-2 6-2 6-2 6-2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析6-3 6-3 6-3 6-3 平面射流平面射流平面射流平面射流6-4 6-4 6-4 6-4 温差或浓差射流温差或浓差射流温差或浓差射流温差或浓差射流1 1、射流的、射流的、射流的、射流的基本结构基本结构基本结构基本结构2 2、紊流射流的、紊流射流的、紊流射流的、紊流射流的三个基本特征三个基本特征三个基本
6、特征三个基本特征3 3、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的 变化规律变化规律变化规律变化规律 空调通风和除尘工程中的空气淋浴、空气空调通风和除尘工程中的空气淋浴、空气帷幕、室内气流组织的设计；工程燃烧及旋帷幕、室内气流组织的设计；工程燃烧及旋流送风，污水经排污口出流后对水体的污染流送风，污水经排污口出流后对水体的污染和处理，烟尘和废气的扩散和对环境的污染，和处理，烟尘和废气的扩散和对环境的污染，高速射流在水力采矿和岩土破碎中的应用和高速射流在水力采矿和岩土破碎中的应用和在冶炼工艺中的应用等。在冶
7、炼工艺中的应用等。射流的应用是十分射流的应用是十分广泛。广泛。射流的应用射流的应用射流泵一、射流泵的工作原理喷浆二、射流泵的分类三、射流流动结构引言引言n n射流与孔口管嘴出流的研究对象不同。前者射流与孔口管嘴出流的研究对象不同。前者讨论的是出流后的讨论的是出流后的流速场、温度场和浓度场流速场、温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面的后者仅讨论出口断面的流速和流量流速和流量。n n气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为流动，称为气体淹没射流气体淹没射流。n n出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间
8、射流，又称限制，为无限空间射流，又称自由射流自由射流。反。反之，为之，为有限空间射流有限空间射流，又称，又称受限射流受限射流。n n气流自半径为气流自半径为R的圆断面喷嘴喷的圆断面喷嘴喷出，出，出口断面上出口断面上的速度认为均匀的速度认为均匀分布分布。n n紊流的横向脉动造成射流与周围介质之间不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，形成向周围扩散的断发生质量、动量交换，形成向周围扩散的锥体状流动场。锥体状流动场。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特征特征?紊流射流的三大特征紊流射流的三大特征1 1、几何特征、几何特征n n射流核心射流核心射流核心
9、射流核心n n边界层边界层边界层边界层n n过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）n n起始段及主体段起始段及主体段起始段及主体段起始段及主体段n n扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）紊流系数紊流系数紊流系数紊流系数紊流系数与出口紊流系数与出口断面上紊流强度断面上紊流强度有关，也与出口有关，也与出口断面上速度分布断面上速度分布的均匀性有关。的均匀性有关。射流结构射流结构喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.071圆柱形管圆柱形管0.0760.08带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角
10、弯管带导流板的直角弯管0.120.20紊流系数紊流系数平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝平面壁上锐缘狭缝具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边具有导叶且加工磨圆边口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝口的风道上纵向缝收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口收缩极好的平面喷口紊流系数紊流系数 从表中数值可知从表中数值可知,喷嘴上装置不同形式的喷嘴上装置不同形式的风板栅栏风板栅栏,则出口截面上气流的扰动紊乱程度则出口截面上气流的扰动紊乱程度不同不同,因而紊流系数也就不同。扰动大的紊流因而紊流系数也就不同。扰动大的紊流系数值增大，扩散角也增
11、大。系数值增大，扩散角也增大。0.240.240.1080.1080.1180.118喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机带金属网格的轴流风机0.1550.155由由可知可知：a值确定，射流值确定，射流边界层的外边界线边界层的外边界线也就确定，射流即也就确定，射流即按一定的扩散角向按一定的扩散角向前作扩散运动，这前作扩散运动，这就是它的就是它的几何特征几何特征。应用这一特征，对应用这一特征，对圆断面射流可求出圆断面射流可求出射流半径沿射程的射流半径沿射程的变化规律变化规律又又以直径表示以直径表示:射流半径沿程的线形增长性射流半径沿程的线形
12、增长性紊流射流的三大特征紊流射流的三大特征2 2、运动特征、运动特征轴心速度最大，从轴心速度最大，从轴心向边界层边缘，轴心向边界层边缘，速度逐渐减小至零。速度逐渐减小至零。距喷嘴距离越远边距喷嘴距离越远边界层厚度越大，而界层厚度越大，而轴心速度则越小，轴心速度则越小，也就是速度分布曲也就是速度分布曲线不断地扁平化了。线不断地扁平化了。各参数定义各参数定义核心速度核心速度轴心速度轴心速度 用半经验公式表示射流各横截面上的无用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布为：因次速度分布为：射流各截面上速度分布的相似性射流各截面上速度分布的相似性紊流射流的三大特征紊流射流的三大特征3 3、动力特征、
13、动力特征动力特征动力特征n n实验证明：实验证明：射流中任意点上的静压强均等射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。于周围气体的压强。n n因各面上所受静压强均相等，则因各面上所受静压强均相等，则x轴向外力轴向外力之和为零。之和为零。n n据动量方程可知，各据动量方程可知，各横截面上动量相等横截面上动量相等动量守恒动量守恒，这就是射流的，这就是射流的动力学特征动力学特征。圆断面射流为例应用动量守恒原理截面上圆断面射流为例应用动量守恒原理截面上动量流量动量流量为：为：任意横截面上的动量流量则需积分：任意横截面上的动量流量则需积分：动量守恒式动量守恒式：射流各截面的动量守恒性射流各截面的动量守
14、恒性用用 除两端除两端：6-2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析一、轴心速度一、轴心速度 vm应用半经验公式代入：应用半经验公式代入：n1 11.51.52 22.52.53 3BnBn0.09850.09850.0640.0640.04640.04640.03590.03590.02860.0286CnCn0.38450.38450.30650.30650.25850.25850.22560.22560.20150.2015Bn和和Cn值值再将射流半径再将射流半径R R沿程变化规律：沿程变化规律：说明了无因次轴心速度与无因次距离说明了无因次轴心速度与无因次距离 成反比的的规律。成反比
15、的的规律。二、断面流量二、断面流量Q三、断面平均流速三、断面平均流速n n 断面平均流速仅为轴心流速的断面平均流速仅为轴心流速的 20。四、质量平均流速四、质量平均流速动量守恒动量守恒 质量平均流速为轴心流速的质量平均流速为轴心流速的 47。因。因此用此用 代表使用区的流速要比代表使用区的流速要比 更合适更合适些。些。但必须注意，但必须注意，、：不仅在数值上不同，：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。更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。矩形喷嘴矩形喷嘴运动参数运动参数 以上分析出圆断面射流主体段内运以上分析出圆断面射流主体段内运动参数变化规律，这些规律亦适用于矩动参数变化
16、规律，这些规律亦适用于矩形喷嘴。但要将矩形换算成为流速形喷嘴。但要将矩形换算成为流速当量当量直径直径代人进行计算。换算公式按第四章代人进行计算。换算公式按第四章所述。所述。五、起始段核心长度五、起始段核心长度 Sn及核心收缩角及核心收缩角段段名名参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流扩散角扩散角 射流直径射流直径或半高度或半高度主主体体段段Db射流参数的计算射流参数的计算段名段名段名段名参数名称参数名称参数名称参数名称符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流主主主主体体体体段段段段
17、轴心速度轴心速度轴心速度轴心速度流量流量流量流量QQ断面断面断面断面平均流速平均流速平均流速平均流速质量质量质量质量平均流速平均流速平均流速平均流速段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称符符符符号号号号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段流量流量流量流量断面断面断面断面平均流速平均流速平均流速平均流速质量质量质量质量平均流速平均流速平均流速平均流速段名段名段名段名 参数名称参数名称参数名称参数名称 符号符号符号符号圆断面射流圆断面射流圆断面射流圆断面射流平面射流平面射流平面射流平面射流起起起起始始始始段段段段核心长度核心长
18、度核心长度核心长度喷嘴至喷嘴至喷嘴至喷嘴至极点距离极点距离极点距离极点距离收缩角收缩角收缩角收缩角例例6-1：用轴流风机水平送风，风机直径为：用轴流风机水平送风，风机直径为d0=600mm，出口风速，出口风速10m/s，求距出口，求距出口10米米处的轴心速度和风量。处的轴心速度和风量。解：首先应判断该截面是处于起始段还是主解：首先应判断该截面是处于起始段还是主体段。体段。喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.0660.0710.071圆柱形管圆柱形管圆柱形管圆柱形管0.0760.0760.080.08带有导风板的轴流式通风
19、机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管0.120.120.200.20紊流系数紊流系数例例6-2：已知空气淋浴地带要求射流半径为：已知空气淋浴地带要求射流半径为1.2m，质量平均流速，质量平均流速v2为为3m/s，圆形喷嘴直径，圆形喷嘴直径为为0.3m，求：，求：1、喷口至工作地带的距离；、喷口至工作地带的距离；2、喷嘴流量。喷嘴流量。喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类喷嘴种类带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴带有收缩口的喷嘴0.0660.0660.0710.071圆柱形管圆柱形管圆
20、柱形管圆柱形管0.0760.0760.080.08带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带有导风板的轴流式通风机带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管带导流板的直角弯管0.120.120.200.20紊流系数紊流系数已知射流直径已知射流直径D,v v2 2,d,d0 0,a,a,求求S和和Q0【例例例例题题题题6.36.3】圆圆圆圆射射射射流流流流以以以以QQ0 0=0.55m=0.55m3 3/s/s，从从从从d d0 0=0.3m=0.3m管管管管嘴嘴嘴嘴流流流流出出出出。试试试试求求求求2.1m2.1m处处处处射射射射流流流流半半半半宽宽
21、宽宽度度度度R R、轴轴轴轴心心心心速速速速度度度度 、断断断断面面面面平均速度平均速度平均速度平均速度 、质量平均速度、质量平均速度、质量平均速度、质量平均速度 ，并进行比较。，并进行比较。，并进行比较。，并进行比较。【解解解解】查表得查表得查表得查表得 =0.08=0.08。先求核心长度先求核心长度先求核心长度先求核心长度 ，所求截面在主体段内，所求截面在主体段内，所求截面在主体段内，所求截面在主体段内 。从而由主体段计算公式得从而由主体段计算公式得从而由主体段计算公式得从而由主体段计算公式得分分析析：由由计计算算可可知知主主体体段段内内的的轴轴心心速速度度 小小于于核核心心速速度度 ；比
22、比较较 、可可以以看看出出,用用质质量量平平均均速速度度代代表表使使用用区的流速要比断面平均流速更适合。区的流速要比断面平均流速更适合。要点总结关键问题关键问题1：射流的分类射流的分类n n当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流射紊流射紊流射紊流射流流流流。n n在空调通风工程上所应用的射流，多为在空调通风工程上所应用的射流，多为在空调通风工程上所应用的射流，多为在空调通风工程上所应用的射流，多为气体气体气体气体紊流射紊流射紊流射紊流射流。流。流。流。n n射流主要研究的是出流
23、后的射流主要研究的是出流后的射流主要研究的是出流后的射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度流速场、温度场和浓度流速场、温度场和浓度流速场、温度场和浓度场场场场。n n射流分无限空间射流（射流分无限空间射流（射流分无限空间射流（射流分无限空间射流（自由射流自由射流自由射流自由射流）和有限空间射流）和有限空间射流）和有限空间射流）和有限空间射流（受限射流受限射流受限射流受限射流）。）。）。）。n n射流核心射流核心射流核心射流核心n n边界层边界层边界层边界层n n过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）过渡断面（转折断面）n n起始段及主体段起始段及主体段起始段及主体段
24、起始段及主体段n n扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）扩散角（极角）射流结构射流结构关键问题关键问题2：射流的结构射流的结构 a值确定，射流边值确定，射流边界层的外边界线也界层的外边界线也就确定，射流即按就确定，射流即按一定的扩散角向前一定的扩散角向前作扩散运动，这就作扩散运动，这就是它的几何特征。是它的几何特征。应用这一特征，对应用这一特征，对圆断面射流可求出圆断面射流可求出射流半径沿射程的射流半径沿射程的变化规律变化规律关键问题关键问题3：紊流射流的紊流射流的几何特征几何特征又又以直径表示以直径表示射流半径沿程的线形增长性射流半径沿程的线形增长性 用半经验公式表示射流各横截面上的无
25、因次用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布为：速度分布为：射流各截面上速度分布的相似性射流各截面上速度分布的相似性关键问题关键问题4：紊流射流的紊流射流的运动特征运动特征n n实验证明：实验证明：射流中任意点上的静压强均等射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。于周围气体的压强。n n因各面上所受静压强均相等，则因各面上所受静压强均相等，则x轴向外力轴向外力之和为零。之和为零。n n据动量方程可知，各横截面上动量相等据动量方程可知，各横截面上动量相等动量守恒动量守恒，这就是射流的，这就是射流的动力学特征动力学特征。关键问题关键问题5：紊流射流的紊流射流的动力特征动力特征 圆断面射流
26、为例应用动量守恒原理截面上圆断面射流为例应用动量守恒原理截面上动量流量动量流量为：为：任意横截面上的动量流量则需积分：任意横截面上的动量流量则需积分：动量守恒式动量守恒式：射流各截面的动量守恒性射流各截面的动量守恒性复习要点复习要点1 1、射流的基本结构、射流的基本结构、射流的基本结构、射流的基本结构2 2、紊流射流的三个基本特征、紊流射流的三个基本特征、紊流射流的三个基本特征、紊流射流的三个基本特征3 3、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的、圆断面射流的速度、流量等沿射程的 变化规律变化规律变化规律变化规律 作业作业 1、画图说明射流的结构。、画图说明射流的结构。2、简述无限空间射流的三个、简述无限空间射流的三个 基本特征。基本特征。预习内容预习内容第六章第六章 气体射流气体射流6-3 平面射流平面射流6-4 温差或浓差射流温差或浓差射流6-6 有限空间射流有限空间射流