流体力学课件6气体射流.ppt

流体力学课件6气体射流按照喷口形状，又可分为圆射流、矩形射流和条缝射流。圆形射流是轴对称射流。如矩形喷口的长短边之比（a：b）不超过3：1时，矩形射流能够迅速发展为圆形射流，只需要根据当量直径，就可采用圆形射流公式进行计算。当矩形喷口长短边之比超过10：1时，就属于条缝射流，条缝射流又称为平面射流。按照射流的流态，有层流射流和紊流射流。气体淹没射流的流态一般都是紊流，层流射流几乎是不存在的。本节讨论无限空间气体紊流淹没射流，简称气体紊流射流。这里需要指出的是，射流与周围气体温度相同。本节主要研究气体紊流射流的运动规律。6.1.1.1射流的形成与结构现以无限空间中圆形断面紊流射流为例，分析射流的运动情况。图6.1射流的结构当气体从孔口或管嘴以一定的流速喷出后，由于射流为紊流流态，紊流的横向脉动造成射流与周围气体发生动量交换，从而把相邻的静止流体卷吸到射流中来，两者一起向前运动，于是射流的过流断面沿程不断扩大，流量不断增加。图6.1射流的结构射流的动量交换和卷吸作用是从外向内逐渐发展的，在距喷口断面距离较短的范围内，射流中心的气体还没来得及与周围气体相互作用，仍保持原喷口流速的区域，称为射流核心，如图6.1所示的AOD部分。而射流核心以外的区域流速小于v0，称为边界层。由于卷吸的不断加强，参与动量交换的气体数量不断增加。射流边界层的范围从喷口沿射流方向不断扩大，射流核心区沿程不断减小，如图所示到达距喷口sn处，也就是断面BOE处，边界层扩展到射流轴心，射流核心消失，这个断面称为过渡断面或临界断面。以过渡断面为界，从喷口到过渡断面称为射流的起始段。过渡断面以后的射流称为射流主体段。起始段射流轴心的速度都为v0，而主体段轴心速度沿x方向不断下降。6.1.1.2射流的特征根据实验，紊流射流的基本特征主要表现在以下三个方面：（1）几何特征无限空间淹没紊流射流由于不受周围固体边壁的影响，从图6.1可以看出，射流的外边界呈直线状扩散，两条边界线ABC与DEF延长交于喷口内M点，该点称为射流的极点。两边界线夹角的一半称为射流的极角或扩散角，以符号α表示。从喷口轴心延长的x轴方向为圆断面射流的对称轴，射流任一断面的轴心到边界线的距离为该截面的半径R（对平面射流称为半高度b）。射流的任一断面的半径(或半高度)与该断面到极点的距离成正比。射流极角的大小与紊流强度和喷口断面的形状有关，可用下式计算（式6.1）式中α――射流的极角；a——紊流系数，该值取决于喷口结构形式和气流经过喷口时受扰动的程度；K——喷口形状系数，也叫试验系数，对圆形喷口K=3.4(对矩形喷口只要喷口长短边比不超过3：1时，也可以按圆形喷口计算)；对条缝形喷口K=2.44。从上式可以看出，射流极角的大小取决于紊流系数，紊流强度越大，射流卷吸能力越强，被带入射流的周围气体数量越多，扩散角也相应增大。表6.1中列出了常用喷口的紊流系数和相应的扩散角。大家应该也有点累了，稍作休息当扩散角确定后，射流边界相应也被确定，因此射流只能以这样的扩散角作扩散运动。即射流各断面的半径(对平面射流为半高度)是成比例的，这就是射流的几何特征。根据这一特征，就可以计算圆断面射流各断面半径沿射程的变化规律，对照图6.1有以直径表示（2）运动特征由于紊流射流质点的横向脉动，使射流的质点与周围气体发生动量交换，从而把周围气体带入射流，随同射流一起向前运动。这种卷吸作用会造成射流各断面的半径和流量随射程的逐渐增大而增大，而流速逐渐减小。在射流主体段各断面流速分布也不相同，沿射流流程，轴心流速逐渐减小，流速分布图扁平化，这是射流和管道流动的不同之处。就整个射流而言，沿射程各断面上的流速沿程不断衰减，但卷吸进来的流体与射流气体之间的动量交换强度是从外向内逐渐减弱，因此各断面轴心处的流速为最大，从轴心向外，流速由最大值逐渐减小到零。因此各断面流速分布虽然不同，但对大量实验所得数据的无因次化整理，找出了射流主体段各断面的无因次速度与无因次距离之间具有同一性。在这里无因次速度，是指射流横断面上任意一点流速u与同一断面上轴心流速um的比值，即而无因次距离，是指上述射流横断面上任意一点到轴心的距离y与同一断面上射流半径R的比值，即射流主体段任一断面的无因次速度和无因次距离之间具有这样的相似性上式表明各断面速度分布虽不相同，但各断面的无因次速度分布规律是相同的。主体段任一断面上从轴心到外边界各点的流速与断面轴心流速之比的变化规律是从1→0，而相应各点到轴心的距离与该断面半径之比的变化规律是从0→1。根据这样的规律，只要知道所求断面到喷口的距离，利用几何相似的原理求出该断面的半径，然后只需求出该断面轴心的流速，就可利用上式求出该断面任意一点的气流速度。（3）动力特征实验表明，在整个射流范围内，任意一点的压强等于周围静止气体的压强。如