第6章气体射流正式

1、1第第6章章 气体射流气体射流2射流的应用 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，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。3综述 气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，简称为气体射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流射流。在釆暖通风工程上所应用的射流，多为气体紊流射流。 射流与孔口管嘴出流的研究对象不同。射流讨论的是出流后的流速场、温度场和浓度场；孔口管嘴仅讨论出口断面的流速和流量。 出流空间大小，对射流的流动有很大影响。出

2、流到无限太空间中，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，4主要内容主要内容61 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62 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析63 平面射流平面射流64 温差或浓差射流温差或浓差射流65 有限空间射流有限空间射流66 气体射流应用分析气体射流应用分析67 CFD技术简介技术简介56.1 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1、气体射流的三种计算方法、气体射流的三种计算方法20世纪世纪40年代苏联阿勃拉莫维奇（本书采用）年代苏联阿勃拉莫维奇（本书采用）20世纪世纪60年代苏联阿

3、勃拉莫维奇，年代苏联阿勃拉莫维奇，=1225是个定值，是个定值，起始段和主体段外边界线是两条折线，引入了动量修起始段和主体段外边界线是两条折线，引入了动量修正系数。正系数。流体力学与流体机械流体力学与流体机械屠大燕屠大燕 1994年年 建建筑工业出版社筑工业出版社20世纪世纪70年代苏联谢彼列夫提出的方法。年代苏联谢彼列夫提出的方法。66.1 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2、射流的结构（圆形出口、等温、自由射流）、射流的结构（圆形出口、等温、自由射流）射流核心、过渡断面、边界线、主体段、起始段、极点、扩散角射流核心、过渡断面、边界线、主体段、起始段、极点、扩散角7紊流系

4、数 Tg=BO/OM=K=3.4a（圆断面射流值） Tg=BO/OM=K=2.24a（条缝射流值）8紊流系数 紊流系数a与出口断面上紊流强度（即脉动速度的均方根值与平均速度值之比）有关，紊流强度越大，说明射流在喷嘴前已“紊乱化” ，具有较大的与周围介质混合的能力则a值也大，使射流扩散角增大，被带动的周围介质增多，射流速度沿程下降加速。a还与射流出口断面上速度分布的均匀性有关。如果速度分布均匀则u最大：u最小=1，则a=0066；如果下太均匀， u最大：u最小=125，则a =00769紊流系数102.几何特征无因次半径无因次半径正比于由极点算起的无因次距离113.运动特征（射流各断面的速度分布

5、规律）实验结果：（1）无论是起始段还是主体段，轴心速度最大；（2）随着射程的增加各断面上的绝对速度分布逐渐扁平化；（3）图6-3b各截面上原来不同的速度分布曲线，经过变换成同一条无因次分布线，说明射流各截面上的速度分布具有相似性。123.运动特征（射流各断面的速度分布规律）133.运动特征（射流各断面的速度分布规律）特留彼尔主体段的实验结果143.运动特征（射流各断面的速度分布规律）阿勃拉莫维奇起始段的实验结果153.运动特征（射流各断面的速度分布规律）阿勃拉莫维奇整理的各截面 上的无因次速度分布公式主体段的约定起始段的约定163.运动特征（射流各断面的速度分布规律）阿勃拉莫维奇整理的各截面

6、上的无因次速度分布公式变化范围174、动力特征 实验表明，射流中任意各点上的静压强均等于周围气体的压强； 假设射流从孔口或喷嘴出流后属于紊动流动，并且出口断面上的速度分布是一致的； 因各面上所受静压强均相等，所以F=0。因为 动量方程F=2Q2v21Q1v1=0，各截面上的动量相等，是自由射流的动力特征；184、动力特征19气流组织方式 空调房间常用气流组织送风方式有侧送风、散空调房间常用气流组织送风方式有侧送风、散流器送风、孔板送风、条缝送风、喷口送风；流器送风、孔板送风、条缝送风、喷口送风； 对室温允许波动范围有要求的空调房间的气流对室温允许波动范围有要求的空调房间的气流组织方式有组织方式

7、有侧送风、散流器送风、孔板送风侧送风、散流器送风、孔板送风。20送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送21送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送22送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送23送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送24送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送25送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（一）上送（一）上送26送、回风的形式与特点送、回风的形式与特点（二）中送（二）中送27风口风口 （二）类型（二）类型28风口风口 （二）类型（二）类型 百叶风口百叶风口29风

8、口风口 （二）类型（二）类型 散流器散流器30风口风口 （二）类型（二）类型 散流器散流器31风口风口 （二）类型（二）类型 散流器散流器32风口风口 （二）类型：条缝风口（二）类型：条缝风口33风口风口 （二）类型（二）类型（二）类型（二）类型4、旋流风口、旋流风口 适用于下送风适用于下送风34风口风口 （二）类型（二）类型35三、风口三、风口 （二）类型：格栅风口（二）类型：格栅风口366 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度、流量根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度、流量沿射程的变化规律沿射程的变化规律主体段主体段1、轴心速度、轴心速

9、度vm根据动力特征根据动力特征因为因为376 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析主体段主体段1、轴心速度、轴心速度vm此式只有近似的准确性直接积分结果为00667，采用表6-2的实验数据为00464，以实验数据为准386 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析主体段主体段1、轴心速度、轴心速度vm因为因为396 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析主体段主体段2、断面流量、断面流量Q（无因次流量）（无因次流量）406 61 1 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析主体段主体段3、断面平均流速、断面平均流速v1（射流断面上的算术平均值）（射流断面上的

10、算术平均值）416 61 1 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析主体段主体段4、质量平均流速、质量平均流速v2（用（用V2乘以质量即得真实动量）乘以质量即得真实动量）空调区域用空调区域用V2用用V1更合适更合适，注意二者，注意二者的区别的区别426 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析起始段起始段5、起始段核心长度及核心收缩角、起始段核心长度及核心收缩角436 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析起始段起始段6、起始段流量、起始段流量Q446 62 2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析起始段起始段7、起始段断面平均流速、起始段断面平均流速456 62

11、2 圆断面射流的运动分析圆断面射流的运动分析起始段起始段8、起始段质量平均流速、起始段质量平均流速V2466 63 3 平面射流平面射流476 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流一、概述一、概述 1 1、概念、概念温差温差、浓差射流就是射流本身的温度或浓度浓差射流就是射流本身的温度或浓度与周围气体的温度与周围气体的温度、浓度有差异。在采暖通浓度有差异。在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，风空调工程中，常采用冷风降温，热风采暖，就要用温差射流；将有害气体及灰尘浓度降就要用温差射流；将有害气体及灰尘浓度降低就要用浓差射流。低就要用浓差射流。486 64 4 温差或浓差射流温差或浓差

12、射流一、概述一、概述 2 2、温差、浓差射流的特点：、温差、浓差射流的特点：（1 1）射流中横向动量交换、旋涡的出现。质量交换，热量交）射流中横向动量交换、旋涡的出现。质量交换，热量交换，浓度发生交换的射流形成过程中，射流轴线的轨迹发生换，浓度发生交换的射流形成过程中，射流轴线的轨迹发生弯曲。弯曲。（2 2）在温差射流中，由于热量扩散比动量扩散要快些，所以）在温差射流中，由于热量扩散比动量扩散要快些，所以温度边界层比速度边界层发展要快些。浓度扩散温度扩散也温度边界层比速度边界层发展要快些。浓度扩散温度扩散也类似。在工程实际中，为了简化，可以忽略边界层的差别。类似。在工程实际中，为了简化，可以忽

13、略边界层的差别。所以，所以，R R、Q Q、vmvm、v1v1、v2v2可用前面的公式可用前面的公式496 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流一、概述一、概述 2 2、温差、浓差射流的特点：、温差、浓差射流的特点：温度边界层温度边界层速度边界层速度边界层506 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流一、概述一、概述 3 3、符号的约定（以下标、符号的约定（以下标e e表示周围气体的符号）：表示周围气体的符号）：516 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流一、概述一、概述 4 4、实验得出温差、浓差、速度分布关系、实验得出温差、浓差、速度分布关系同绘在一个无因次坐标同绘在一个无因次坐标上，

14、无因次温差分布线，上，无因次温差分布线，在无因次速度分布线的在无因次速度分布线的外部外部温差分布线温差分布线526 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流一、概述一、概述 5 5、计算温差、浓差射流假定条件、计算温差、浓差射流假定条件1 1、几何特征、几何特征2 2、运动特征、运动特征3 3、等温射流的动力特征变为热力特征、等温射流的动力特征变为热力特征：在等压的情在等压的情况下，以周围气体的焓值作为起算点，射流各况下，以周围气体的焓值作为起算点，射流各截面上的相对焓值不变。截面上的相对焓值不变。焓是气体的状态参数，可以表示成焓是气体的状态参数，可以表示成h=fh=f（T,PT,P）；理想气体

15、，）；理想气体，焓是温度的单值函数，空调中有湿空气焓是温度的单值函数，空调中有湿空气I-DI-D（焓湿图）（焓湿图），焓的单位焓的单位kJkJ。推导焓的单位推导焓的单位比热单位，比热单位，KJ/KgKJ/Kg536 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流二、主体段，圆断面温差射流分析二、主体段，圆断面温差射流分析 1 1、轴心温差、轴心温差射流各截面上的相对射流各截面上的相对焓焓值不变值不变代入公式代入公式546 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流二、主体段，圆断面温差射流分析二、主体段，圆断面温差射流分析 2 2、质量平均温差、质量平均温差质量平均温差，即以该温差乘上质量平均温差，即以该

16、温差乘上QcQc，便得出相对焓值，便得出相对焓值556 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流三、起始段，圆断面温差射流分析三、起始段，圆断面温差射流分析 1 1、轴心平均温差不变化，、轴心平均温差不变化，Tm=Tm=T0T02 2、质量平均温差，只要将起始段的无因次流量代入即可质量平均温差，只要将起始段的无因次流量代入即可566 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流四、射流弯曲四、射流弯曲 1 1、为什么会引起射流弯曲、为什么会引起射流弯曲？温差、浓差射流由于密度与周围密度不同，所受重力与浮力不温差、浓差射流由于密度与周围密度不同，所受重力与浮力不相平衡，造成射流轴线的弯曲，热射流轴线向上

17、翘，冷射流轴相平衡，造成射流轴线的弯曲，热射流轴线向上翘，冷射流轴线往下弯。但从整个射流来看，射流的轴线仍可以认为是射流线往下弯。但从整个射流来看，射流的轴线仍可以认为是射流的对称曲线。的对称曲线。2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程576 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程（1 1）牛顿第二定律）牛顿第二定律加速度概念加速度概念586 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程（2 2）气体状态方程）气体状态方程依上式可推得依上式可推得596 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程（3

18、 3）轴心温差换为轴心速度）轴心温差换为轴心速度已知已知0 07373已知已知606 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程（4 4）积分）积分已知已知001mmmvdsdt v dtdtdssdtssdsvvv 积分结果积分结果616 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流000000000 730 730 731mmeeemTTTvgggydt v dtdt v dtsdsvTvTvTvv 2 2、射流的轨迹方程射流的轨迹方程（4 4）积分）积分用035替代011更与实验吻合626 64 4 温差或浓差射流温差或浓差射流cosyyxtgxs2 2、射流的

19、轨迹方程射流的轨迹方程（4 4）积分）积分ArAr阿基米德准数，它是决定射流弯曲程度的主要阿基米德准数，它是决定射流弯曲程度的主要因素。因素。ArAr大，随射程大，随射程x x变化的变化的y y值变化也大，射流值变化也大，射流弯曲大。当弯曲大。当ArAr绝对值小于绝对值小于0 0001001时，可忽略射流时，可忽略射流的弯曲而按等温射流计算。的弯曲而按等温射流计算。ArAr愈小，贴附长度愈愈小，贴附长度愈长。长。636 65 5 旋转射流旋转射流1 1、概念：、概念：气流通过具有旋流作用的喷嘴外射气流通过具有旋流作用的喷嘴外射沄沄动动。气流本身气流本身一面旋转一面旋转，一面向周围介质中扩散前进

20、。一面向周围介质中扩散前进。2 2、保证旋转措施、保证旋转措施：（1 1）采用切向导入管；（）采用切向导入管；（2 2）喷嘴内安装导）喷嘴内安装导向叶向叶。3 3、特征、特征：旋转作用来源于流入气流施加的动量矩，旋转使射流旋转作用来源于流入气流施加的动量矩，旋转使射流获得向四周扩散的获得向四周扩散的离心力离心力（改变了一般射流的压强分布，出现（改变了一般射流的压强分布，出现了从射流轴线沿径向至射流边界的压强降低，低压中心将吸入了从射流轴线沿径向至射流边界的压强降低，低压中心将吸入射流前方的介质使之回流，形成了一个包含在射流内部的回流射流前方的介质使之回流，形成了一个包含在射流内部的回流区）；比

21、一般射流扩散角大，射程短，紊动性强，与周围介质区）；比一般射流扩散角大，射程短，紊动性强，与周围介质的动量的动量、热量交换和浓度交换热量交换和浓度交换。4 4、应用、应用：工程燃烧技术及旋流送风中工程燃烧技术及旋流送风中；回流区的存在使大量回流区的存在使大量高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利稳定着火高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利稳定着火。646 65 5 旋转射流旋转射流656 66 6 有限空间射流有限空间射流1 1、概念概念 房间送风房间送风2 2、范围范围 射流断面积：房间横断面面积大于射流断面积：房间横断面面积大于20%20%3 3、结构结构 由于房间边壁限制了射流边界层的发展

22、扩散，由于房间边壁限制了射流边界层的发展扩散，射流半径及流量不是一直增加，增大到一定程度后反而射流半径及流量不是一直增加，增大到一定程度后反而逐渐减小，使其边界线呈逐渐减小，使其边界线呈橄榄形橄榄形。重要的特征是橄榄形重要的特征是橄榄形的边界外部与固体边壁间形成与射流方向相反的回流区的边界外部与固体边壁间形成与射流方向相反的回流区，于是流线呈闭合状。这些闭合流线环绕的中心，就是射于是流线呈闭合状。这些闭合流线环绕的中心，就是射流与回流共同形成的旋涡中心。流与回流共同形成的旋涡中心。666 66 6 有限空间射流有限空间射流4 4、受限射流特性受限射流特性（1）射流半径及流量不是一直增加，增大到

23、一定程度后反而射流半径及流量不是一直增加，增大到一定程度后反而逐渐减小，使其边界线呈逐渐减小，使其边界线呈橄榄形橄榄形。橄榄形的边界外部与固体边橄榄形的边界外部与固体边壁间形成与射流方向相反的回流区壁间形成与射流方向相反的回流区，于是流线呈闭合状，即是于是流线呈闭合状，即是射流与回流共同形成的旋涡中心。射流与回流共同形成的旋涡中心。676 66 6 有限空间射流有限空间射流4 4、受限射流特性受限射流特性（3 3）1-11-1断面与断面与2-22-2断面有限扩张段，断面有限扩张段，2-22-2断面处射流回流平断面处射流回流平均速度及回流量达最大值。均速度及回流量达最大值。686 66 6 有限

24、空间射流有限空间射流4 4、受限射流特性受限射流特性（4 4） 射流结构与喷嘴安装的位置有关。如喷嘴安置在房间射流结构与喷嘴安装的位置有关。如喷嘴安置在房间高度高度、宽度的中央处，射流结构上下对称，左右对称。射流宽度的中央处，射流结构上下对称，左右对称。射流主体呈橄揽状，四周为回流区。但实际送风时多将喷嘴靠近主体呈橄揽状，四周为回流区。但实际送风时多将喷嘴靠近顶棚安装，如安置高度顶棚安装，如安置高度h h与房高与房高H H为为h0.7Hh0.7H时时，射流出现贴附射流出现贴附现象，整个贴附于顶棚上，而回流区全部集中射流主体下部现象，整个贴附于顶棚上，而回流区全部集中射流主体下部与地面间。称这种

25、射流为贴附射流。贴附现象的产生是由于与地面间。称这种射流为贴附射流。贴附现象的产生是由于靠近顶棚流速增大静压减小，而射流下部静压大，上下压差靠近顶棚流速增大静压减小，而射流下部静压大，上下压差数使射流不得脱离顶棚。数使射流不得脱离顶棚。 贴附射流可以看成完整射流的一半贴附射流可以看成完整射流的一半，规律相同。规律相同。696 66 6 有限空间射流有限空间射流4 4、受限射流特性受限射流特性贴附射流和计算图的对比（a）轴对称射流 （b）贴附于顶棚的射流706 66 6 有限空间射流有限空间射流4 4、受限射流特性受限射流特性（5 5） 动力特征，动量不守恒动力特征，动量不守恒射流内部的压强是变

26、化的，随射程的增大，直至端头压强增射流内部的压强是变化的，随射程的增大，直至端头压强增大。达稳定后数值比周围大气压强要高些。这样射流中各横大。达稳定后数值比周围大气压强要高些。这样射流中各横截面上动量是不相等的，沿程减少；在第二临界断画后，动截面上动量是不相等的，沿程减少；在第二临界断画后，动量很快减少以至消失。正是由于动量不守恒，研究起来较自量很快减少以至消失。正是由于动量不守恒，研究起来较自由射流困难多了。由射流困难多了。716 66 6 有限空间射流有限空间射流5 5、半经验公式半经验公式（1 1） 回流区平均速度回流区平均速度有限空间射流主要用在空气调节房间送风上有限空间射流主要用在空

27、气调节房间送风上，这时常常要这时常常要求工作操作区处在射流的回流区中，并限定具体风速值。所求工作操作区处在射流的回流区中，并限定具体风速值。所以仅介绍回流平均速度以仅介绍回流平均速度v v的半经验公式：的半经验公式：726 66 6 有限空间射流有限空间射流5 5、半经验公式半经验公式（2 2） 最大回流速度回流速度在在2-22-2断山上，回流流速为最大，以断山上，回流流速为最大，以v1v1表示。表示。2 22 2断面距喷断面距喷嘴出口的无因次距离通过实验已得出嘴出口的无因次距离通过实验已得出736 66 6 有限空间射流有限空间射流5 5、半经验公式半经验公式（3 3） 设计限定的回流速度设

28、计限定的回流速度在设计要求的在设计要求的L L处，射流平均流速为处，射流平均流速为v2v2是设计所限定的值是设计所限定的值已知已知V=v2V=v2746 66 6 有限空间射流有限空间射流6 6、末端涡流区末端涡流区75补充补充 房间气流组织计算算例房间气流组织计算算例76例：散流器平送的设计与计算例：散流器平送的设计与计算77例：散流器平送的设计与计算例：散流器平送的设计与计算78房高小于5m,舒适空调，温差小于10度盘式散流器性能表室内温度精度为1，tx为射流轴心温度和室温之差79CFD技术简介技术简介1、what is CFD? Computational Fluid Dynamics（

29、计算流体动力学）（计算流体动力学） 简单地说，简单地说，CFDCFD相当于相当于 虚拟虚拟 地在计算机做实验，用以地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理基本原理则是数值求解则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFDCFD是现代模拟仿真技术的一种。是现代模拟仿真技术的一种。 80CFD技术简介技术简介81CFD技术简介技术简介2、为什么用、为什么用CFD? CFD是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，中采用的方法主要有四种：射