流体力学A 9-1.ppt

《流体力学A 9-1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学A 9-1.ppt（65页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,提 示,坚持预习和复习,2,上次课主要内容,1. 边界层分离现象： 1)定义；2)原因；3)必要条件；4)分离点的确定；5)学习边界层分离现象的意义。 2. 绕流阻力与阻力系数 1) 绕流阻力 2) 阻力系数 3) 减小绕流阻力的措施边界层控制,第八章 不可压缩流体二维边界层,3,第八章主要内容小结,什么是边界层？边界层流动有哪些基本特征？ 如何研究边界层？(边界层方程及动量积分方程) 薄平板(层流、紊流及混合)边界层计算结果 边界层分离现象 绕流阻力与阻力系数,第八章 不可压缩流体二维边界层,4,第九章 紊流射流,1.射流的概念 1)定义：流体自管嘴或条(角)缝中向外 喷射所形成的流动称

2、为射流。 2)举例: 从自来水龙头喷射出来的水束； 烟囱出口冒出的烟气； 喷气式飞机尾部喷出的白色气体； 锅炉喷燃器向炉膛喷射的燃料等。,第九章 紊流射流,5,第九章 紊流射流,2.射流的其它定义： 1)紊流射流：当射流出口速度较大，射流呈紊流状态时，射流称为紊流射流； 2)自由（受限）射流：射流空间的大小对射流流动影响很大，当射流空间无限大时，射流不受固体壁面限制，称为自由射流，反之称为受限射流；,第九章 紊流射流,6,第九章 紊流射流,3)自由淹没射流：与其周围空间流体的 温度、密度相同且空间流体又是静止 的自由射流。 3. 射流与孔口、管嘴出流的研究对象不同：前者研究流体自管嘴射出后的速

3、度场、温度场和浓度场，后者仅讨论出口截面的流速和流量。 4. 射流研究背景：锅炉喷燃器、喷雾装置、射流元件、液体切割、化工冶金设备等。,第九章 紊流射流,7,第九章 紊流射流,5.本章内容简介 自由淹没射流的形成及特征 圆断面射流和平面射流运动分析 工程中常见的几种射流 旋转射流,第九章 紊流射流,8,1自由淹没射流的形成 当射流进入同介质、同温度、静止的无限空间后，由于射流流体微团的横向脉动，造成射流与周围介质之间连续不断地发生动量交换，带动周围介质流动，结果使射流的质量流量、横断面积沿x方向不断增加，射流本身的速度逐渐减小，最后射流的能量完全消失在这一空间介质中。如下图所示。,9.1 自由

4、淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,9,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,10,2.自由淹没射流的结构 1)核心区：射流速度为初速度vx0的部分； 2)转折断面：初速度为vx0的核心区消失处的断面称为射流的转折断面。它与出口的距离为ST； 3)初始段：以转折断面为界，从喷嘴出口至转折断面的射流部分为射流初始段；,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,11,4)基本段：转折断面以后沿x方向为射流的基本段（或主体段），基本段部分的射流轴心速度从ST处的vx0沿x方向逐渐减小，最后下降为零，射流消失； 5)射流边界层：当把射流速度vx等于零的界面规定为射流的外边界

5、，而把速度等于vx0的界面规定为射流的内边界时，内外边界之间的区域则是存在速度梯度的区域，称之为射流边界层。,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,12,3.自由淹没射流的特征 1)几何特征: 射流外边界为直线，两条外边界线的交点o延伸至喷嘴内，称为射流极点。外边界线之间的夹角为射流极角，又称为射流扩散角。,(圆断面),（长矩形断面）, 射流半径：,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,K实验系数， 为射流的紊流系数，由实验确定，它是反映射流流动结构的特征系数； 系数 值的大小与射流出口断面紊流强度有关，紊流强度越大， 值越大，从而使扩散角增大，被带动的周围介质则增

6、多，导致射流速度沿程下降加速； 值还与射流出口断面上的速度分布的均匀性有关；,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,13,14,对于圆断面射流：当初速度均匀时，=0.066；当初速度的最大值与初速度的平均值之比等于1.1时，=0.070；当上述比值等于1.25时，=0.076。对于长矩形断面喷嘴平面射流，=0.090.12。 当 值确定后，射流边界层的外边界也就随之确定，射流则按一定的扩散角向前运动，这就是射流的几何特征，或称外形特征。,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,15, 参照图，可得射流半径与射流射程之间的关系式:,（平面）,（圆断面）,9.1 自由淹没

7、射流的形成及特征,第九章 紊流射流,16,2)运动特征： 在任一横断面上，横向速度vy与轴向速度vx相比是小量，可忽略不计，而认为射流速度就是vx； x越大，速度分布越平坦，R越大，vx越小，射流边界层厚度增大；（P204图9-2） 射流内部压强等于周围介质的压强；,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,17,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,特留彼尔(Trupel)对轴对称射流基本段的实验结果。,18, 在射流基本段及初始段非核心区中，所有断面上速度分布（包括温度分布）都是相似的。这种特性称为自由淹没射流的自模性。（参见图9-3（基本段）及图9-5至8及其表达

8、式)。,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,19,9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,20,3) 动力特征：单位时间内射流各横截面沿x方向的动量保持不变，等于射流在喷嘴出口处的动量，即,=常数,(研究射流运动的基本关系式),9.1 自由淹没射流的形成及特征,第九章 紊流射流,21,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,22,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,1圆断面射流运动分析,1) 轴心速度vxm随射程S的变化关系,2) 令vxmvx0，得初始段长度,第九章 紊流射流,23,3)单位时间内，通过射流任一横截面的体积流量为,9.2 圆断面射

9、流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,24,2平面射流运动分析(长宽比较大的矩形喷嘴，垂直于喷口长度方向上扩散）,类似圆断面射流运动分析，可得,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,25,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,26,3射流断面速度分布和温度分布 （结合运动特性讲解） 1)射流初始段,圆断面射流和平面射流均适应,（抛物线）,或,（直线）,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,（9-11）,（9-12）,27,（9-11）的实验证明的曲线绘制。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,28,（9-12）的实验证

10、明的曲线绘制。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,29,2)射流基本段,圆断面射流和平面射流均适应,（抛物线）,（抛物线）,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,（9-13）,（9-14）,30,（9-13）的实验证明的曲线绘制。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,31,（9-14）的实验证明的曲线绘制。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,32,3) 结论：在初始段的非核心区和基本段具有自模性，且速度呈抛物线分布，温度在初始段的非核心区近似呈直线分布，在基本段呈抛物线分布。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析

11、,第九章 紊流射流,33,4) 不等温射流的热交换 说明：关于不等温射流的热交换，在燃烧技术中经常会遇到。关于射流温度场的分析，由于其方法与速度场相同，其结果也类似。所不同的是，热量扩散比动量扩散快些，因为温度边界层比速度边界层发展快些。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,34,射流轴心线温度的变化规律,圆断面射流,平面射流,(此两式的证明不作要求。),9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,35,4) 通过上述分析，比较圆断面射流和平面射流，可得如下结论： 圆断面射流： 与S成反比， 与S成正比； 平面射流： 与 成反比， 与 成正比。 因此，在初始条件

12、和喷口几何尺寸相同 的情况下，圆断面射流比平面射流扩散能 力强，但射程 （射出能力）较短（小）。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,36, 由于紊流扩散的相似性，温差射流和浓差射流与等温、同密度射流具有相同的变化规律。 不论哪种射流，增大射流初速（初温或初始浓度）和喷嘴出口尺寸，均会使射流扩散能力增强，射程（射出能力）增大。,9.2 圆断面射流和平面射流运动分析,第九章 紊流射流,37,9.3 工程中常见的几种射流,1. 平行射流组的流动 2. 射流的相互碰撞 3. 射流与主气流相交时的流动,第九章 紊流射流,38,9.3 工程中常见的几种射流,1平行射流组的流动 在燃烧

13、设备中，所使用的往往是一列而不是一个喷嘴，其空气动力结构是一列相互平行的自由射流所组成的射流组，如图9-9，由于射流间的相互混合和影响，流动过程非常复杂。尚需进一步研究。 下面从结构与特性两方面进行初步介绍。结构方面，仍存在初始段、基本段，只是多了一个过渡段。如下图所示：,第九章 紊流射流,39,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,初始段,基本段,过渡段,40,1）初始段：中心保持初速度为vx0的区段。比一般的自由淹没射流缩短30%。射流边界层速度分布公式为,（抛物线）,各段分述如下：,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,41,2）基本段：通常将两相邻射流汇合后的区段。

14、开始混合的截面是基本段的起始截面。,（抛物线）,9.3 工程中常见的几种射流,与实验的比较，如P210图9-10所示。,第九章 紊流射流,42,3）过渡段：位于初始段和基本段之间，大小与射流组相邻喷嘴间的距离密切相关。 4）在基本段，与单个自由淹没射流比较，不同点： 边界层增厚得较快； 随着x增大，速度场渐趋均匀，但仍 相似； 卷吸及引射特性停止。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,43,2.射流的相互碰撞 包括交叉射流的碰撞和相对碰撞，主要介绍碰撞后射流的变形及流动特点。流动流场只能靠实验确定。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,44,9.3 工程中常见的几种射流

15、,第九章 紊流射流,1）交叉射流 的碰撞,（P210图911）,45,碰撞后的结论: 断面垂直方向上射流尺寸有压扁现象，混合后总射流又以一定扩展角流动； 从断面的水平方向上看总射流变得很宽，射流交角越大，射流变得越宽；,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,46,对于喷嘴直径相等的两股射流交叉互撞，变形率,由右图可知，交角越大，变形越厉害，而变形最大的区域是在相交区附近。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,47,2) 相对正撞： 两股初动量相等的射流相对流动，碰撞后射流将沿着与初始方向垂直的方向流动，如右图。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,若两射流初动

16、量不相等，则相撞后的流向转折点将向动量较小的射流一侧移动。,48,3）轴心线不重合的两相对射流流动 当两股射流相对流动且喷口相离一定距离而射流的轴向线又不重合时，两射流间会发生互相吸引现象，如下图。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,49,3.射流与主气流相交时的流动 如图9-15，射流以角射入上升主气流中，与主气流发生动量交换，射入主气流一定深度后，被压迫而转向，逐渐被主气流“同化”。 运动规律与喷嘴型式、入射角度 、射流速度v2和温度T2及主气流的速度v1和温度T1等因素有关。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,50,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射

17、流,内部循环流化床原理图,51,1）速度比v2/ v1的影响：随着射流的向前发展，无因次速度不断降低；速度比越小，无因次速度降低得越快，主气流“同化”射流的能力越强，如右图。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,52,2）温度比T2/ T1的影响 温度比的影响体现在密度的差别影响上，若射流的温度T2相对较低，射流的密度大，单位质量的动量也大，射流的穿透深度便会加大。,9.3 工程中常见的几种射流,第九章 紊流射流,53,3）喷射角 的影响 当0时为同向射流，180o时为逆向射流， 90o时，射程最远。当取其它不同数值时，则有不同的射程。下面是伊万诺夫关于射流轨迹的经验方程,9.3

18、工程中常见的几种射流,（9-20）,第九章 紊流射流,54,9.4 旋转射流,1. 旋转射流的定义： 当旋转气流由旋流设备（旋流燃烧器）出口喷出，在静止气体介质中连续地扩散流动所形成的特殊射流。其结构如图9-17。 2. 旋转射流的流速场及静压强变化 1）轴向速度vx、切向速度v 和径向速度vr沿轴向的分布规律如P213图9-19；2）在x/d2.1的射流轴心区内，存在一个vx0的回流区， 如P213图9-17、图9-18和9-19；,第九章 紊流射流,55,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,56,3）径向速度vr分布复杂，不仅大小而且方向也有变化，数值相对较小，如图9-18； 4）静压强沿

19、径向分布不均匀，与射流周围介质的静压强不相等（不同点）。,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,57,式中，M0流体进入旋流设备时相对旋转轴的动量矩，K0旋流设备出口断面上的平均动量，d0旋流设备的喷口直径。,1）旋流强度,3. 旋转射流的特点,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,58,2）旋流强度的影响 对无因次速度 的影响：如图9-20，随着值增大，轴向最大速度衰减得越快。射程,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,越短、切向速度越大，回流区也越大；旋转射流与周围介质紊流混合的能力增强；,59,对射流卷吸量的影响：如图9-21，随着值的增大，射流卷吸周围介质的能力就越强；（射程短，扩展角大，外

20、表面积大。）,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,60,对回流量的影响：如图9-22，随着值的增大，回流量qVh显著增大，因此回流区的宽度及长度也会相应增大，最大回流量出现在x/d00.5处。,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,61,4. 旋转射流的种类： 根据旋流强度的大小，旋转射流可分为强旋流及弱旋流两种。强旋流时有较长及较宽的回流区且回流速度较大。将不出现回流区的旋转射流称为弱旋流。,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,62,5. 说明。 1）以上结果具有特殊性和典型性。对于不同结构的旋流设备，其产生的旋转射流的性能状况会有所差异，但其主要性能特点是相同的； 2）因为旋转射流有很好的引

21、射抽吸及混合能力，能促使大量的高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利而稳定地着火；,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,63,3) 由于其扩展角大、射程短，还能保证在较短的距离内完成燃烧过程。旋转射流被广泛应用在燃烧设备中。,9.4 旋转射流,第九章 紊流射流,64,课堂小结 1.自由淹没射流的形成及特征 1）形成；2）结构；3）特征 2. 圆断面射流和平面射流运动分析 1)轴心速度；2)初始段长度；3)横断面 流量； 4）速度分布；5)比较 3. 工程中常见射流： 1)平行射流组；2)射流的相互碰撞； 3)射流与主气流相交时的流动,课堂小结、下次课内容、作业,第九章 紊流射流,65,4. 旋转射流：定义、特点，旋流强度及 影响，种类及应用 下次课内容：第十章 作 业： P215-216 9-1，9-3,课堂小结、下次课内容、作业,第九章 紊流射流,