《气体射流》PPT课件

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1、 流 体 经 由 孔 口 或 管 嘴 喷 射 到 一 个 足 够 大 的 空 间 后 ， 不 再受 边 壁 的 限 制 而 继 续 扩 散 流 动 ， 这 种 流 动 则 称 为 射 流 。 1.按 射 流 流 体 的 流 动 状 态 不 同 ， 可 分 为 层 流 射 流 和 紊 流 射流 。 2.按 射 流 流 体 的 流 动 速 度 大 小 不 同 ， 可 分 为 亚 音 速 射 流 和超 音 速 射 流 。 3.按 射 流 流 体 在 充 满 静 止 流 体 的 空 间 内 扩 散 流 动 的 过 程 中 ，是 否 受 到 某 固 体 边 界 的 约 束 ， 可 分 为 自 由 射 流

2、 、 半 限 制 射 流 和限 制 射 流 。 4.按 射 流 流 体 在 扩 散 流 动 过 程 中 是 否 旋 转 ， 可 分 为 旋 转 射 流 和 非 旋 转 射 流 。 5.按 射 流 管 嘴 出 口 截 面 形 状 不 同 ， 可 分 为 圆 形 射 流 (又 称 轴对 称 射 流 )、 矩 形 射 流 、 条 缝 射 流 (可 按 平 面 射 流 处 理 )、 环 状 射流 和 同 心 射 流 等 。 对 于 矩 形 射 流 ， 当 长 宽 比 小 于 3时 ， 可 按 轴 对 称 射 流 考 虑 ，当 长 宽 比 大 于 10时 ， 按 平 面 射 流 考 虑 。 6.按 射

3、流 流 体 的 流 动 方 向 与 外 界 空 间 流 体 的 流 动 方 向 不 同 ，可 分 为 顺 流 射 流 、 逆 流 射 流 和 叉 流 射 流 。 7.按 射 流 流 体 与 外 界 空 间 内 流 体 的 温 度 及 浓 度 不 同 ， 可 分 为温 差 射 流 和 浓 差 射 流 。 8.按 射 流 流 体 内 所 携 带 的 异 相 物 质 的 不 同 ， 可 分 为 气 液 两 相射 流 ， 气 固 两 相 射 流 和 液 固 两 相 射 流 以 及 气 液 固 多 相 射 流 等 。 由 于 工 程 上 常 见 的 射 流 一 般 都 是 紊 流 射 流 ， 所 以 本

4、 章 主 要 讨论 紊 流 射 流 的 特 征 和 机 理 。 目 的 ： 研 究 射 流 扩 展 范 围 、 轴 线 轨 迹 、 流 速 、 流 量 、 温度 和 浓 度 等 物 理 量 随 射 程 的 变 化 规 律 。 研 究 方 法 ： 实 验 方 法 和 理 论 分 析 。 边 界 层 理 论 (边 界 层微 分 方 程 和 动 量 方 程 的 积 分 )是 理 论 分 析 中 常 用 的 方 法 。 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 技 术 及 旋 流 送 风 ， 污 水 经 排

5、 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 ， 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 。 射 流 的 应 用 是 十 分 广 泛 的 。 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 R 的 圆 断 面 喷 嘴 喷 出 。 出 口 断 面 上 的 速 度 认 为 均匀 分 布 ， 皆 为 u0值 ， 且 流 动 为 紊 流 。 取 射 流 轴 线 M x为 x 轴 。经 过

6、许 多 学 者 的 试 验 和 观 测 ， 得 出 这 种 射 流 的 流 动 特 性 及 结 构图 形 。 速 度 为 u0的 部 分 称 为 射 流 核 心 ， 其 余 部分 速 度 小 于 u0 ， 称 为 边 界 层 。射 流 边 界 层 一 方 面 不断 地 向 外 扩 散 ， 带 动周 围 介 质 进 人 边 界 层 ，另 一 方 面 向 射 流 中 心扩 展 。只 有 轴 心 点 上 速 度 为 u 0的 射 流 断 面 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

7、 以 后称 为 射 流 主 体 段 。起 始 段 射 流 轴 心 上 速 度 都 为 u0 ， 而 主 体 段 轴 心 速 度 沿 x 方 向 不 断 下 降 ， 主体 段 中 完 全 为 射 流 边 界 层 所 占 据 。 起 始 段 主 体 段 实 验 结 果 及 半 经 验 理 论 都 得 出 射 流 外 边 界 是 一 条 直 线 ， 如 图 上 的 AB 及 DE 线 。 AB、 DE 反 向 延 长 至 喷 嘴 内 交 于 M 点 ， 此 点 称 为 极 点 ， AMD的 一 半 称 为 极 角 ， 又 称 扩 散 角 。 BO 为 圆 断 面 射 流 截 面 的 半 径 R， R

8、称 为 射 流 半 径 。 射 流 外 边 界 极 点 实 验 结 果 及 半 经 验 理 论 都 得 出 ， 紊 流 射 流 的 外 边 界 线 是 一 条 直线 (统 计 平 均 值 )， 紊 流 射 流 的 半 径 R或 厚 度 (半 宽 度 )B沿 轴 线 x方 向 是 线 性 增 长 的 ， 即 k为 实 验 系 数 。 对 于 轴 对 称 射 流 k 3.4a； 对 于 平 面 射 流 k 2.44a。 式 中 a为 紊 流 系 数 ， 它 取 决 于 管 嘴 出 口 截 面 上 流 体 的 紊 流 度及 速 度 分 布 的 均 匀 程 度 ， 管 嘴 出 口 处 流 体 的 紊

9、流 度 越 大 ， 流 速分 布 越 不 均 匀 ， a值 越 大 。 对 于 轴 对 称 自 由 射 流 a 0.07 0.08； 对 于 平 面 自 由 射 流 a 0.10 0.12。xkBxkR 或 射 流 扩 散 角 由 此 可 见 ， 管 嘴 出 流 的 紊 流 系 数 a越大 ， 射 流 的 扩 张 角 也 越 大 。 管 嘴 出 流的 紊 流 系 数 a还 与 射 流 出 口 断 面 的 速 度 分 布 的 均 匀 性 有 关 ,比 如 带有 收 缩 口 的 喷 嘴 ,如 果 速 度 分 布 均 匀 ,则 a值 为 0.066,如 果 分 布 不 太均 匀 ,则 a值 取 0.

10、071. akxRtg 4.3 )294.0+(4.3= 00 rasrR )+(4.3= 0 sxaR射 流 半 径 沿 程 变 化 规 律axKxR 4.3截面到极点的距离:x紊 流 系 数 a值 确 定 ,射 流 边 界 层 的 外 边 界 线 也 就 被 确 定 ,射 流 按 一 定的 扩 散 角 向 前 作 扩 散 运 动 ,这 就 是 射 流 的 几 何 特 征 .射 流 半 径 沿 程 具 有 线 形 增 长 性 轴 心 速 度 最 大 ， 从轴 心 向 边 界 层 边 缘 ，速 度 逐 渐 减 小 至 零 。距 喷 嘴 距 离 越 远 边界 层 厚 度 越 大 ， 而轴 心 速

11、 度 则 越 小 ，也 就 是 速 度 分 布 曲线 不 断 地 扁 平 化 了 。 主 体 段 (特 留 彼 尔 ) 起 始 段 (阿 勃 拉 莫 维 奇 ) 核心速度点速度yvv yy yyyy vv vbc 0 1090 50 00 0. .各 参 数 定 义。同截面上轴心点的速度核心速度的距离点至边缘轴线同一截面上的距离点至边缘轴线同一截面上的距离点至边缘轴线同一截面上轴心线的横坐标轴。是以喷嘴边缘所引平行线线的距离。起始段任意一点至 m oxy oxy oxyox oxy 0 01.0 09.0 05.0 0.1- 0.9- 0.5- - 000 平 面 自 由 射 流 不 同 截

12、面 的 速 度 分 布 自 由 射 流 截 面 无 因 次 速 度 分 布原 来 各 截 面 不 同 的 速 度 分 布 曲 线 ， 均 变 换 成 为 同 一 条 无因 次 分 布 线 。 主 体 段y： 所 求 的 点 到 轴 心 的 距 离R： 边 界 层 的 厚 度m： 轴 心 速 度起 始 段y： 所 求 的 点 到 核 心 边 界 的 距 离R： 同 截 面 上 边 界 层 的 厚 度m： 核 心 速 度 vm v0射 流 各 截 面 上 无 因 次 速 度 半 经 验 公 式 自 由 射 流 流 动 参 量 的 变 化 曲 线射 流 中 任 意 点 上 的 静 压 强 均 等 于

13、 周 围 气 体 的 压 强 ， 即 p=0。各 面 上 所 受 静 压 强 均 相 等 ， x 轴 向 外 力 之 和 为 零 。各 横 截 面 上 动 量 相 等 动 量 守 恒 ， 这 就 是 射 流 的 动 力 学 特征 。 起 始 段 主 体 段 成反比。与无因此距离说明了无因次轴心速度除两端以xxadasras RydRyRr R ydyrm mmm R 96.0147.048.0294.0965.0 22 000 2102020 22 0 22020 xadasrasQQ rydryr ydyQQVV rRRVV 2.2147.04.4294.02.22 000 000 0020

14、00 0 xadasras RrQQAQAQ VVVV 19.0147.0095.0294.019.0 0001 2000001 xadasrasm 96.0147.048.0294.0965.0 000 xadasrasQQ QQ VV VV 4545.0147.023.0249.04545.0 00002 200 xadasrasm 96.0147.048.0294.0965.0 000 质 量 平 均 流 速 为 轴 心 流 速 的 47 。 因 此 用 2代 表 使 用 区 的 流 速 要比 1更 合 适 些 。 但 必 须 注 意 ， 1 、 2 ： 不 仅 在 数 值 上 不 同

15、， 更重 要 的 是 在 定 义 上 根 本 不 同 ， 不 可 混 淆 。质 量 平 均 流 速 定 义 为 ： 用 2乘 以 质 量 即 得 真 实 轴 向 动 量 。 arsn 0671.0 asrtg n 49.10 2000 2000 2000 1.320.761 0.90-3.74 22.298.21 rasrasQ QQ rasrasQQ rasrasQQ V VVVV VV整个截面上的流量边界层中无因次流量核心内无因次流量 2 00 20001 2000001 56.118.61 32.176.01 rasras rasras rRrQ QQAQAQQ V VVV VV 200

16、002 002 32.176.01 1 rasrasQQ Q QQQ VV V VVV 用 轴 流 风 机 水 平 送 风 , 风 机 直 径 d0=600mm， 出 口 风 速 10m/s。求 矩 出 口 10m处 的 轴 心 速 度 和 风 量 。 已 知 空 气 淋 浴 地 带 要 求 射 流 半 径 为 1.2m， 质 量 平 均 流 速为 2=3m/s， 圆 形 喷 嘴 直 径 为 0.3m。 求（ 1） 喷 口 至 工 作 带 的 距 离（ 2） 喷 嘴 流 量 m1 2ans marsn 26.108.0 15.0672.0672.0 0 在主体段内 1.2 mss n mrra

17、sR 721.015.0294.015.0 1.208.04.3294.04.3 00 smdQ /785.73.014.3 455.04 22000 smdasm /285.5785.7147.03.0 1.208.0 48.0147.048.0 00 smdas /046.1785.7147.03.0 1.208.0 095.0147.0095.0 001 smdas /533.2785.7147.03.0 1.208.0 23.0147.023.0 002 分析：由计算可知主体段内的轴心速度 小于核心速度 ；比较 、 可以看出,用质量平均速度代表使用区的流速要比断面平均流速更适合。m0

18、1 2 上 一 节 研 究 的 射 流 与 周 围 气 体 的 温 度 和 密 度 是 相 同的 。 所 以 射 流 轴 线 与 喷 口 流 速 0的 方 向 相 同 ， 形 成 一 条直 线 ， 这 种 射 流 称 为 等 温 射 流 。 但 在 供 热 通 风 与 空 调 工 程 中 ， 涉 及 到 的 射 流 往 往 与周 围 流 体 存 在 着 温 度 差 或 所 含 固 体 颗 粒 及 其 他 物 质 的 浓度 差 ， 这 类 射 流 称 为 温 差 射 流 或 浓 差 射 流 。 夏 天 向 房 间输 送 冷 空 气 降 温 ， 冬 天 向 房 间 输 送 热 空 气 取 暖 ，

19、这 是 温差 射 流 的 实 例 。 向 含 尘 浓 度 高 或 散 发 大 量 有 害 气 体 的 生产 车 间 输 送 清 洁 空 气 ， 用 以 降 低 粉 尘 或 有 害 气 体 的 浓 度 ，改 善 工 作 区 的 环 境 ， 则 属 浓 差 射 流 。第 四 节 温 差 或 浓 差 射 流 与 周 围 气 体 存 在 温 度 差 或 浓 度 差 的 射 流 ， 当 从 喷 口高 速 喷 出 后 ， 由 于 紊 流 质 点 运 动 的 横 向 掺 混 ， 射 流 除 了与 周 围 气 体 发 生 动 量 交 换 之 外 ， 还 存 在 着 热 量 交 换 和 浓度 交 换 。 对 于

20、 温 差 射 流 ， 热 量 交 换 的 结 果 ， 使 原 来 温 度较 低 的 气 体 ， 温 度 有 所 升 高 ， 而 原 来 温 度 较 高 的 气 体 ，温 度 有 所 下 降 。 所 以 射 流 各 断 面 上 的 温 度 分 布 是 不 同 的 ，同 理 ， 射 流 各 断 面 上 的 浓 度 分 布 也 不 同 ， 这 将 使 射 流 内出 现 温 度 或 浓 度 的 不 均 匀 连 续 分 布 。 在 供 热 通 风 与 空 调 工 程 中 出 现 的 温 度 差 或 浓 度 差 一般 都 不 大 ， 引 起 的 密 度 变 化 很 小 ， 在 分 析 中 仍 可 按 不

21、可压 缩 流 体 处 理 ， 也 不 考 虑 异 质 的 存 在 对 流 动 的 影 响 。 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 的轴 心 轨 迹 。 一 、 温 差 射 流 和 浓 差 射 流 的 流 场 结 构 及 基 本 特 征 (一 )流 场 结 构 温 差 射 流 或 浓 差 射 流 的 流 场 结 构 特 征 对 于 温 度 或 浓 度 不 同 的 紊 流 射 流 ， 由 于 流 体 质 点 的 横 向 脉 动 和掺 混 ， 不 仅 产 生

22、质 量 交 换 及 动 量 交 换 ， 而 且 还 产 生 热 量 交 换 和 物质 交 换 。 而 在 这 些 交 换 中 ， 由 于 热 量 扩 散 比 动 量 扩 散 要 快 些 ， 因 此 温 度 边 界 层 比 速 度 边 界 层 发 展 要 快 些 厚 些 ， 如 图 所 示 。 实 线 为速 度 边 界 层 ， 虚 线 为 温 度 边 界 层 的 内 外 界 线 。 浓 度 扩 散 与 温 度 相 似 。 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 。于 是 参 数 R

23、、 Q 、 m 、 1、 2等 可 使 用 前 两 节 所 述 公 式 ，仅 对 轴 心 温 差 Tm， 平 均 温 差 T2等 沿 射 程 的 变 化 规 律 进 行讨 论 。 温 差 或 浓 差 射 流 中 所 要 研 究 的 参 数 。对 温 差 射 流 ： T射 流 任 意 断 面 上 任 意 一 点 的 温 度 ， K； T0喷 口 处 射 流 的 温 度 ， K； Tm射 流 任 意 一 断 面 轴 心 处 的 温 度 ， K； Te周 围 空 气 的 温 度 ， K。 对 浓 差 射 流 ： 射 流 任 意 断 面 上 任 意 一 点 某 种 物 质 的 浓 度 ， mg/l或

24、g/m 3； 0喷 口 处 射 流 某 种 物 质 的 浓 度 ； m射 流 任 意 一 断 面 轴 心 处 某 种 物 质 的 浓 度 ； e周 围 空 气 中 某 种 物 质 的 浓 度 。 5.1)1 RyuuTT mmm（ 由 于 温 差 射 流 和浓 差 射 流 的 密 度与 周 围 气 体 密 度不 同 ， 射 流 在 运动 过 程 中 ， 所 受重 力 与 浮 力 不 平衡 ， 导 致 射 流 在流 动 过 程 中 会 发生 向 上 或 向 下 的弯 曲 。 也 就 是 说温 差 或 浓 差 射 流的 轴 心 线 不 再 是 一 条 与 喷 口 轴 线 方 向 相 同 的 直 线

25、 ， 而 是 一 条 曲线 。 但 整 个 射 流 仍 可 看 作 对 称 于 轴 心 线 。 为 了 能 利 用 前 面 介 绍的 公 式 计 算 射 流 沿 射 程 的 运 动 参 数 及 温 差 或 浓 差 的 变 化 规 律 ，就 必 须 了 解 射 流 轴 心 线 的 偏 移 量 或 它 的 轨 迹 。 )35.051.0( 2300 ssdadAy r ArTTgd ssdaTTgy ee 20 00 23020 0 )35.051.0( 令 er TTgdA 20 00 er gdA 20 00 工 作 地 点 质 量 平 均 风 速 要 求 3m/s， 工 作 面 直 径 D=

26、2.5m， 送 风温 度 为 15 ， 车 间 空 气 温 度 为 30 ， 要 求 工 作 地 点 的 质 量 平均 温 度 降 到 25 ， 采 用 带 导 叶 的 轴 流 风 机 ， 紊 流 系 数 a=0.12。求（ 1） 风 口 的 直 径 及 速 度（ 2） 风 口 到 工 作 面 的 距 离（ 3） 求 射 流 在 工 作 面 的 下 降 值 。 s do=?T0=15 D=2.5mT2=25 2=3m/sTe=30风 口 工 作 区 ，由41.0833.0 00 bsa 41.00 bsaZ并令 25.11040.0 1006.0833.0833.0 330 Z )41.0(4

27、4.2 00 bsabb m262.025.144.2 0.144.2)41.0(44.2 2200 ZbBsa bb 41.02.1 00m bsa由 m/s8.425.1 0.52.12.141.02.1 00 0m Zbsa 41.00 bsaZ由m516.212.0 )41.025.1(262.0)41.0( 220 aZbs m249.212.0262.003.103.1 0n abs而 室 外 空 气 以 射 流 方 式 ， 由 位 于 热 车 间 外 墙 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 温 度 -10 ，室 内 空 气 温 度 为 20 ， 射 流 初 速 度 为 2m/s， 求 地 板 上 的 温 度 。s T m=？y=7m已 知 ： 2b0=0.35 T0=-10 Te=20 0=2m/s 第 六 章 气 体 射 流n射 流 概 念n射 流 分 类n研 究 射 流 的 目 的 和 研 究 方 法n射 流 的 应 用n射 流 特 征n在 射 流 三 大 特 征 基 础 上 导 出 的 计 算 公 式n温 差 和 浓 差 的 沿 程 变 化 规 律n射 流 弯 曲