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1、第六章气体射流,基本概念,射流：流体经孔口或管嘴流出，流入另一部分流体介质中的现象。,射流的分类：,1、依照流体的种类，有气体射流和液体射流。,2、依照射流条件，有淹没射流和自由射流。,3、依照出流空间对射流是否有影响，有无限空间射流和 有限空间射流。,4、依照射流流态，有层流射流和紊流射流。,5、依照喷口形状，有圆形射流、矩形射流和条缝射流。,如矩形喷口长短边之比不大于3：1时，矩形射流可以迅速发展成圆形射流；当大于10：1时，为条缝射流，即平面射流。,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,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，简称为气体射流。射流与孔口管嘴出流的研究对象
2、不同。前者讨论的是出流后的流速场、温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面的流速和流量。与管道流动一样，气体射流也有层流射流与紊流射流之分。工程上的流动，多为紊流射流。出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。,一、射流场的形成与结构,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,1、射流场的形成,由于射流为紊流，横向脉动导致与周围气体发生动量交换，从而把相邻的静止液体卷吸进来，随着流程的增加，射流过流断面不断加大，流量不断增加。,一、射流场的形成与结构,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,2、射流场的结构,射流核心：图所示AOD部分，该部分
3、气体还未与外界发生交换。,边界层：AOD以外的部分，速度小于核心区，又分为内边界层和外边界层。,过渡断面：即BOE断面，该断面以外核心区消失。,起始段：过渡断面以内，轴心 速度均为u0。,主体段：过渡断面以外。,射流半径R：任意断面轴线到外 边界的距离。,二、射流场的特征,1.几何特征,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,射流外边界呈直线扩散，两条直线的交点M为极点，两条直线夹角的一半 称为极角或扩散角。,极角与紊流强度和喷口断面形状有关。,形状系数；紊流系数。,二、射流场的特征,1.几何特征,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,或,二、射流场的特征,2.运动特征,6.1 无限空间淹没紊流射流
4、的特征,射流各断面的半径和流量随射程增大而增大，而流速逐渐减小；主体段内，轴心速度逐渐减小，流速分布图逐渐扁平化，大量实验证明，各射流断面的无因次速度与无因次距离具有相似性，即：,二、射流场的特征,3.动力特征,6.1 无限空间淹没紊流射流的特征,实验证明，整个射流范围内，任意一点的压强等于周围静止气体的压强，则易知沿轴向任意断面间的动量守恒，即：,6.2 圆断面射流的运动分析,一、主体段轴心速度:,由式,两端同除以,6.2 圆断面射流的运动分析,一、主体段,断面流量:,断面平均流速:,质量平均流速:,二、起始段1.核心区长度 的计算2.核心收缩角,6.2 圆断面射流的运动分析,【例】圆射流以
5、Q0=0.55m3/s，从d0=0.3m管嘴流出。试求2.1m处射流半宽度R、轴心速度vm、断面平均速度v1、质量平均速度v2，并进行比较。【解】查表得a=0.08。先求核心长度，所求截面在主体段内。,从而由主体段计算公式得,分析：由计算可知主体段内的轴心速度vm小于核心速度v0；比较v1、v2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。,6.3 平面射流,气体从狭长隙缝中外射运动时，射流在条缝长度方向几乎无扩散运动，只能在垂直于条缝长度的各个平面上扩散运动，这种流动可视为平面运动，故称平面射流。,平面射流特征：,喷口高度以 2b0（b0半高度）表示。而几何、运动、动力特征
6、则完全与圆断面射流相似。,结论：,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。这是因为运动的扩散被限定在垂直于条缝长度的平面上的缘故。,6.3 平面射流,射流参数计算：,前面研究的射流与周围气体温度和密度相同，因而射流轴线与喷口流速的方向相同，为一直线，称为等温射流。在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，此时为温差射流，而将有害气体或灰尘浓度降低的射流为浓差射流。温差或浓差射流分析，主要是研究温差或浓差场的分布规律，同时讨论由温差或浓差引起的射流弯曲的轴心轨迹。,6.4 温差射流与浓差射流,一、温差与浓差射流的特征 1.几何特征 除常规射流的动量、质量交换，温差射流还存
7、在热量交换。由于热扩散略快于动量扩散，因此温度边界层比速度边界层发展要快些厚些。但在处理实际问题时，为简化起见，认为二者相同。,6.4 温差射流与浓差射流,一、温差与浓差射流的特征 2.研究内容 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、Q、vm、v1、v2等可使用前两节所述公式，仅对轴心温差 Tm，平均温差等沿射程的变化规律进行讨论。,6.4 温差射流与浓差射流,定义参数：以足标e表示周围气体的符号,6.4 温差射流与浓差射流,一、温差与浓差射流的特征 2.运动特征,由试验得出，截面上温差分布、浓差分布与速度分布之间具有
8、相似性，即：,3.热力学特征 在等压情况下，射流断面上相对焓值流量不变。,二、几个主要参数的计算公式,1.轴心温差,2.质量平均温差,6.4 温差射流与浓差射流,三、射流弯曲,6.4 温差射流与浓差射流,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。但整个射流仍可看作是对称于轴心线。我们采用近似的处理方法：取轴心线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，应用牛顿定律导出公式。,取轴心线上的单位体积气体为研究对象,只考虑重力与浮力作用。由牛二定律：,则,6.4 温差射流与浓差射流,三、射流弯曲,由等压过程的气体状态方程可得,6.
9、4 温差射流与浓差射流,三、射流弯曲,因为,故,利用，可得,由实验修正,将0.115改为0.355。,6.4 温差射流与浓差射流,【例题】高出地面5m处设一孔口d0为0.1m，以2m/s速度向房间水平送风。送风温度，室内温度。试求距出口3m处的t2、v2 及弯曲轴心坐标。,【解】查表得紊流系数a=0.08。,由,，可得,从而有,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。,二、旋转射流的流速分布,旋转射流的速
10、度分解为三个分量：沿射流前进方向的轴向速度vx，在横截面上沿半径方向的径向速度vr，在横截面上做圆周运动的切向速度v,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。,6.5 旋转射流,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。,6.6 有限空间射流,在射流运动中，由于受壁面、顶棚以及空间的限制，自由射流规律不再适用，因此必须研究受限后的射流即有限空间射流运动规律。目前有限空间射流理论尚不完全成熟，多是根据实验结果整理成近似公式或无量纲曲线，供设计使用。,一、射流结构有限空间射流由自由扩张段、有限扩张段、收缩段组成,6.6 有限空间射流,二、动力特征射流内部压强是变化的，随射程的增大，压强增大，直至端头压强最大，达稳定值后比周围压强要高些。射流中各横截面上动量不相等，沿程减少。三、回流速度的半经验公式,6.6 有限空间射流,在房间长度l大于射程长度L4情况下，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，应当清除。,6.6 有限空间射流,
