堵头管中轴对称紊动射流的实验研究

堵头管中轴对称紊动射流的实验研究Experimentalstudyofanaxisymmetricturbulentjetdischargedintoadead-endtunnel1前言紊动射流是流体运动的一种重要类型，在航天航空、动力机械、化工设备、自动控制、水力采掘、民用消防、农业喷灌、环境工程、通风空调等许多工程技术部门中都有大量的射流问题。按照射流周围环境条件，射流可分为受纳空间无限大或远比射流特征尺寸大的自由射流与受纳空间有限的非自由射流或称受限射流。在通风空调工程中，广泛采用射流送风。进入室内的射流大部分属于受限射流，如图1所示。射流由喷口喷入房间，只要喷口尺寸断面尺寸相比不是很小，其扩展就会受到房间围护结构（顶棚、墙壁或地板等）的限制和影响，形成回流。回流的存在是受限射流与自由射流的主要区别，对自由射流的实验和理论研究均已比较成熟，国内外系统介绍这方面研究的文献很多[1～6]，但对实际工程中更常见的受限射流流动特性研究却不多见，所以，从工程实际出发，研究受限射流具有重要意义。图1房间通风射流示意图从理论上说，受限射流是紊动射流的一种，而紊动射流作为典型的剪切紊流，尽管对它的研究已有几十年的历史，但至今仍然是一个非常活跃的领域，因为这些研究有助于加深人们对率流特性的认识，如对自由射流中拟序结构的研究就使人们对紊流结构有了新的认识和理解[7，8]，所以对受限射流的研究也可以增进人们对紊流现象的认识。本课题采用热膜流速仪研究堵头圆管中不同受限度等温轴对称射流流场的时均和脉动特性，探求分析计算方法进行校核、补充或修改，并对射流内部紊动特性和运动机理进行探讨。2实验装置2．1实验设备实验设备如图2所示，由风机、送风管道、稳流箱和实验段--堵头圆管等几部分组成。选用圆形截面堵头管来研究受限射流，是考虑到与矩形断面模型相比，圆管的轴对称性可大大减少测点数目，而且文献[9]中比较了矩形断面堵头管和圆形断面堵头管中受限射流的实验成果，指出以断面面积为特征尺度选择无量纲数，模型的断面形状对流速、流量的大小影响不大，只是对射流和回流的位置有影响。图2实验装置示意图1.吸风口2.送风机3.软接头4.铁皮送风管道5.风量调节闸板6.稳流方箱7.格栅与纱网8.连接段9.射流喷嘴10.堵头圆管2．2量测断面及测点布置模型实验段如图3所示，堵头圆管内径D=240mm，全长L=170mm，等于模型直径的7倍多。根据罗津别尔格[9]的实验，射流作用的最大长度不超过堵头管直径的4倍数，故该模型长度充分有余。圆管制一端被封死，开口的一端装有送风喷嘴和连接段，送风喷嘴用螺栓固定在喷嘴支板上。图3模型实验段1.连接段2.喷嘴支板3.喷嘴4.堵头圆管由于模型的轴对称性，每个断面只须在一条直径上量测，在堵头管的上部和下部各开有一排圆孔，上部圆孔直径为8.5mm，其中标有"c"的圆孔在位置为最测断面，直探针（热膜探针和边界探针）从这些圆孔引入模型内部矛盾测量；标有"f"的圆孔是辅助量测孔，供弯头长50mm的皮托管引入模型对量测断面进行测量表中4．1．2各组实验量测结果实验量测的时均流速及脉动流速相对值的典型结果见图6。图中的轴向流速脉动相对值是指，um为射流轴线时均流速。射流边界位置由正反流边界探针确定。边界附近的时均流速参考皮托管量测进行了修正（图6a给出修正后的时均流速分布）。距喷嘴出口距离增大后，由于流速减小，正反流边界探针分辨不出边界，所以后面的断面没有给出时均流速分布，但给出了脉动流速分布。图6时均流速与轴向流速脉动相对值沿程分布图4．2堵头管中受限射流的一般特性及分区根据对实验成果的整理分析，受限射流流场可分为四个区：I自由扩展区，Ⅱ受限扩展区，Ⅲ收缩区，Ⅳ零均流区，如图7所示。图7堵头管中受限射流流场示意图I自由扩展区，Ⅱ受限扩展区，Ⅲ收缩区，Ⅳ零均流区在第一临界断面C1之前为自由扩展区，C1断面之后，射流的扩展受到边界和回流的限制，其卷吸周围流体作用减弱，射流半径流量的增加速率逐渐减慢，但总的趋势仍是半径增大，流量增加，故称为受限扩展区，直到第二临界断面C2。此后，射流运动发生根本转折，射流流线开始越出边界产生回流，射流区流量沿程减少，在第二临界断面上射流区流量达到最大值，而射流半径在C2断面稍后达到最大值，然后逐渐缩小，称为收缩区，收缩区末端位置（第三临界断面）由射流最远作用长度决定。可根据实际工程中对轴线流速的限值给出（详见4.3.1）。第三临界断面和圆管堵头之间是第Ⅳ区--零均流区，或称尾部旋涡区，该区气流的特点是处理"阻滞"和"堆积"状态，形成一个或多个不稳定的大尺度旋涡，旋涡诱导的瞬时流甚，时间平均流速为零，压力均匀。堵头管中的射流，在第I和第Ⅱ区所卷吸的流体来自本身的回流，管内空气产生多次循环，排除的只是从喷口喷入的那部分空气量。4．3受限射流的时均流动特性4．3．1受限射流轴线流速变化规律射流进入堵头管后，由于动量的衰减和横向传递，流速不断降低。图8是射流轴线上时均流速随无量纲距离x/d0的沿程变化。从图中可见，轴线流速的变化取决于射流的受限度。当受限度很大时，轴线流速急剧下降，射流相对射程x/d0随着受限度减小而增大。而且随着受限程度减小，轴线流速的变化曲线互相趋于接近，当受限度很时，趋近于图8中用虚线表示的自由射流轴线流速变化曲线，射流受了程度越大，其轴线流速变化曲线um/u0=f(x/d0)离自由射流的曲线越远。图8轴线流速随x/d0的变化图9是用无量纲距离表示的轴线流速沿程变化。图9a中曲线表示巴哈列夫经验公式计算值。从图中可见，实测值与经验公式计算值在趋势上是一致的，但在数值上，前者大于后者。巴哈列夫的受限射流轴线流速经验公式是把受限度引入自由射流轴线流速公式之后拟合实验数据得到的。他采用的自由射流轴线流速公式为（1）式中<1时，≥1时，A=6.5a（2）图9轴线流速随的变化巴哈列夫把自由射流看作受限射流的极限情况，将受限度以e的指数形式引入式（1），得以受限射流轴线流速表示式：（3）式中的指数m即反映射流受限程度的影响，根据实验数据，巴氏得到（4）由此可见1自由射流的轴线流速公式在巴氏受限射流轴线流速经验公式中起着重要作用。图10比较了式（1）和Tollmien的理论解[1]，即，发现巴氏所采用的自由射流轴线流速公式（1）的计算值低于其它学者的研究成果。本文采用Tollmien理论解的数据拟合式（1）中的因数A，得到当<1时（5a）A=6.85a当≥1时（5b）于是经过修正的受限射流轴线流速经验公式变为（6）式中A按式（5）选取。图10自由射流线流速沿程变化图8、图9b中的曲线均是根据式（6）计算得到的。从图中可见，实测值与之基本相符。考虑到射流作用的末端，断面上流速分布趋于均匀，轴线流速与断面平均流速相差不大，在实际工程中可把轴线流速达到给定值ud时的长度定义为射流最远作用长度。ud根据需要选定，在通风空调中ud一般为0.07～0.04m/s[9][13]，代入式（6）可以得到受限射流的最远作用长度，也就是第三临界断面的位置4．3．2受限射流流量的变化规律根据实测断面流速分布，可得受限射流的流量Qj。图10是受限射流流量随时无量纲距离的沿程变化。由于管壁边界限制了射流的发展，受限射流的流量不像自由射流那样沿程增加，而是先逐渐增大，到达第二临界断面之后，由于气流的回转，射流流量逐渐减小。在图10中，从射流喷口到第一临界断面的自由扩展区，流量增加很快；随后的受限扩展区，流量增加速度逐渐减慢并在第二临界断面处达到最大值；第二临界断面以后，射流流量逐渐减小。射流流量的沿程变化在一定程度上反映了射流的卷吸性质，从图11a可见，射流受限越大，相对流量Qj/Q0最大值越小，卷吸量越小。图11b是各个受限度射流无量流量的综合结果。从图中可见，不同受限度的实验点比较接近，可用一条曲线表示。图中曲线1是根据巴哈列夫经验公式计算得到的。从图中可见实验点与之偏差较大，归因于巴哈列夫量测流速的仪器--电风速仪在紊动强度较高时精度较差。仍选用巴氏经验公式的形式，拟合实验数据，得到（7）如图11b中曲线2所示。图11a中的曲线也是根据式（7）给出的。两图中小受限度的一些断面与其它实验点偏离的原因可能是小受限度时，喷口直径很小，相应的喷口流量Q0也小，这样流速量测时较小的误差可能导致Qj/Q0较大的误差，故在拟合式（7）时没有包括明显有误差之点。图11射流流量随的沿程变化根据实验结果，射流在各种受限度下，第二临界断面均在同一无量纲距离c2=0.21处,在此断面上，射流量达到最大值：（8）4．3．3受限射流射流区平均流速变化规律根据受限射流流量及射流半径的变化规律，可得到受限射流射流区平均流速的沿程变化规律，如图12所示。从图12b可见，各受限度下射流平均流速无量纲综合值的分布很有规律。由上述实验成果，可得到射流区平均流速变化的经验公式（9）根据式（9）所作的曲线与实验数据基本相符。图12射流区平均流速沿程变化4．3．4受限射流回流区平均流速变化规律如前所述，堵头管中受限射流，由于边界的限制，射流的外部存在回流。在通风空调工程中，工作区通常位于回流区，这是因为回流区流动的流速和温差已充分衰减，具有比较均匀稳定流速场和温度场，所以回流区平均流速是通风空调设计的重要指标，在实际工程中，往往要限制回流区平均流速最大值不得超过工作区风速的允许值。目前，在通风空调工程设计中，巴哈列夫实验得到的回流区平均流速经验公式（10）被广泛采用[13，14]，但在文献[9]中这个经验公式里的回流区平均流速定义不明确。断面平均流速是相应流量和相应面积的比值，但文献[9]却先给出回流区平均流速在堵头管长度上的变化。拟合得到式（10），然后由连续原理得到回流流量Qr（等于同一断面的射流流量Qj）和式（10），给出了回流面积，未免令人费解。本文定义每个断面上的回流区面积Fr等于圆管面积Fn与射流区面积Fj之差，即Fr=Fn-Fj（11）再由（12）得到各断面的回流区平均流速。图13表示回流区平均流速随的沿程变化。从图中可见，喷口直径越大，越小，回流区平均流速无量纲vr/u0越大。并且受限度不同的射流，在第二临界为面c2=0.21处回流区平均流速均达到最大值。图13回流区平均流速随的沿程变化图13b中曲线是不同受限度实验数据的拟合曲线，所得的拟合公式为（13）回流区平均流速从喷口开始逐渐增加，至第二临界断面c2=0.21达到最大值，然后又逐渐减小。在第二临界断面上，回流区平均流速最大值等于（14）4．4受限射流的紊动特性根据图6中给出的堵头管中受限射流轴向流速及相对值的沿程分布，可以对受限射流的紊动特性进行初步探讨。图14是不同受限度下射流轴线上随x/d0的变化（在射流轴线上，ε1与相对紊动强度相同）。图中虚线取自参考文献[15][16]中自由射流数据。图14射流轴线上相对紊动强度沿程变化从图中可知，在自由扩展区，不同受限度射线轴线上相对紊动强度变化与自由射流基本一致；而自由扩展区之后，受限射流细线上紊动强度沿程持续增加，并不是趋于常数。分析其原因，无论是自由射流还是堵头管中的受限射流，在射流轴线上ui/xj=0，因而轴线上不产生紊动，轴线上的紊动是由上游的输运和附近的扩散引起的。在受限条件下，由于回流的存在，射流断面上流速分布更不均匀，轴线附近紊动加大，因而扩散到轴线上的紊动也相应地增加；同时，主流的波动也是导致相对紊动强度增加的原因。从图6可见，不同受限度射流轴向流速脉动ε1在断面上的径向分布情况，气流从喷口喷入堵头管中，在势流核心区没有完全消失的断面，核心区内ε1很小；随着径向坐标r的增加，ε1先是逐渐增大，增大到一定程度后开始减小，直至射流边界附近；此后r再增大，ε1基本保持为常数。结合断面上时均流速的分布，可以得到，从射流轴线开始，随着r的增加，相对紊动强度先是和ε1一样逐渐增大，但当ε1达到最大值并开始减小时，由于时均流速u的减小，ε将趋近于∞。而在射流边界以外的回流区，虽然ε1保持在一个较低水平，但由于时均流速同样较低，相对紊动强度ε值仍然较大。从图6中还可以看出，随着轴向距离的增加，整个断面的轴向流速脉动均增大，并逐渐趋于均匀。图15给出的是d0=20mm，=10.6的射流各断面上回流区轴向流速脉动相对于回流区平均速度vr的沿程变化，从图中可以看出，随着回流越接近出口，ε2值越大，这主要是vr迅速减小的结果。图15回流区ε2沿程变化5结语5．1以往对堵头管中射流时均特性的研究成果定性上是正确的。但是，由于实验多在早期完成，受到量测手段的局限，定量存在一定的误差。本文采用了热膜流速仪以及专门设计的正反流边界探针，使得研究成果具有较高的可靠性。5．2堵头管中射流的发展可分为四个区：自由扩散区、受限扩展区、收缩区和零均流区。分区的第一临界断面和第二临界断面分别在c1=0.09和c2=0.21处，第三临界断面则由射流最大作用长度决定。5．3对巴哈列夫关于受限射流轴线流速沿程变化的经验公式进行了修正，见式（6）受限射流、流量射流区平均速度沿程变化可分别按经验公式（7）和（9）计算。5．4通过定义回流区面积等于堵头管面积与射流区面积之差，给出了通风空调设计的重要指标--回流区平均速度的经验公式（13），澄清了巴哈列夫对回流区平均速度定义的不明确之处。5．5在实验所包括的协诺数范围内(Re0>104),受限射流的流动与雷诺数无关，这主要是由于在高雷诺数情况下，旋涡结构的变化主要在于最小旋涡尺度的减小，而大旋涡尺度基本不变，由于卷吸强度受尺度旋涡的影响，故受限射流的卷吸强度亦不随Re0而变化。但是，受限度影响流动的发生发展以及卷吸强度的大小，受限度越大，射流所卷吸的流量越小。5．6在受限条件下，由于回流的存在，射流的紊动在整个堵头管中都很剧烈，尤其是在收缩区和零均流区。预示依据研究堵头管中的射流，无论是理论分析还是数值计算，必须对运动方程中流速脉动项给予充分的重视。6参考文献1AbramovichGN.TheTheoryofTurbulentJets.Massachusetts:MITPress,1963.2RajaratnamN.TurbulentJets.Elsevier,Amsterdam.1976.3RodiW.TurbulentBuoyantJetsandPlumes.Oxford:PergramonPress,1982.4HinzeJO.Turbulence.2ndedition,NewYork:McGraw-Hill,1975.5余常昭，环境流体力学导论，北京：清华大学出版社，1992。6余常昭，紊动射流，北京：高等教育出版社，1993。7KovasznayLGG.StructureandMechanis