旋转射流空气动力学分析
《流体力学》第六章气体射流解析
射流参数的计算
段 名
参数名称
符号
圆断面射流
平面射流
扩散角 α tg3.4a tg2.44a
主
体
段 射流直径 或半高度
D b
D d0
6.8das0
0.147
b b0
2.44ab0s
v0
将轴心温差换成了轴心速度关系
e 1Tm T0
m
T0 Te
Tm 0.73vm
第二节 圆断面射流的运动分析
现根据紊流射流特征来研究圆断面射流的速度， 流量和射程的变化规律。
轴心速度 r02v020R2v2ydy
用 R 2vm2 除两端：
(r0)2(v0)221(v)2 yd(y)
R vm
0 vm R R
应用半经验公式代入：
v [1( y)1.5]2
vm
R
(r R 0 ) 2 (v v m 0 ) 2 2 0 1 (v v m ) 2 R y d (R y ) 2 0 1 (v v m ) 2d 2 B 2
B0Kx
tgKxK3.4a
x
紊流系数
起 始 段
主 体 段
C
B
A
R
M
α r0
核 心
0
D X0
边 E
界 层
Sn
F
S
X
紊流系数与 出口断面上 紊流强度有 关，也与出 口断面上速 度分布的均 匀性有关。 （表6-1）
射流结构
紊流系数
喷嘴种类 带有收缩口的喷嘴
a
0.066 0.071
简述旋转射流的特征。
简述旋转射流的特征。
旋转射流是一种具有旋转特性的射流。
它具有以下特征：
1. 存在一个回流区，这意味着在射流的中心区域，流动方向与
射流的整体方向相反。
2. 速度沿程衰减快，这意味着随着射流距离的增加，射流的速
度会迅速减小。
3. 射流中心有很强的卷吸力，这使得射流能够吸入周围的介质，促进射流与周围介质的动量交换、热量交换和混合物浓度交换。
4. 旋转射流的扩散角大得多，这意味着射流的扩散范围更大。
5. 旋转射流的射程短得多，这与其速度沿程衰减快的特性有关。
由于这些特性，旋转射流被广泛用于工程燃烧技术及旋流送风中。
流体力学中的流体中的湍流射流与流体力学应用
流体力学中的流体中的湍流射流与流体力学应用流体力学中的湍流射流与流体力学应用射流是流体力学中重要的研究对象之一，其在自然界和工程实践中具有广泛的应用。
湍流射流是指介质在通过狭窄的通道时，产生湍动的现象。
本文将介绍湍流射流的基本概念、湍流射流的产生机制以及在流体力学中的应用。
一、湍流射流的基本概念湍流射流是指流体通过管道或喷口时，随着速度增加，流动发生分离，形成复杂的湍动现象。
与层流射流相比，湍流射流具有非线性、不稳定、随机的特点。
射流的湍流性质对于理解和预测流体力学中的许多现象和问题至关重要。
湍流射流的特点主要包括：湍流核心区、回流区和边缘层。
湍流核心区内速度梯度较小，流速较大，流动较为混乱；回流区指的是在射流喷出口附近产生的湍流结构；边缘层是指流动中速度逐渐下降的区域。
这些特点对于湍流射流的研究和应用具有重要意义。
二、湍流射流的产生机制湍流射流的产生机制复杂而多样，主要包括层流-湍流转捩和自激振荡两种机制。
层流-湍流转捩是指流体在射流过程中，由于某些不稳定性机制的作用，从层流状态逐渐转变为湍流状态。
层流过程中存在很多不稳定性机制，例如边界层分离、剪切层不稳定性、传播破坏等，这些机制会导致射流的湍流转捩。
自激振荡是指射流自身扰动的放大和增强现象。
湍流射流中存在很多扰动源，例如射流出口的不均匀性和射流周围环境扰动等。
当这些扰动源激发和扩大时，会导致射流的湍流振荡。
三、湍流射流在流体力学中的应用1. 工业喷雾技术湍流射流在工业喷雾技术中有着广泛的应用。
通过控制射流的速度和角度，可以实现对液体喷雾的细化和扩散。
工业喷雾技术在化工、冶金、石油等领域广泛应用，例如喷雾冷却、喷雾干燥、喷雾燃烧等。
2. 河流动力学在河流动力学中，湍流射流的研究可以帮助理解水流的混合和输运过程。
河流中的湍流射流具有很高的速度和湍流强度，对于河床的侵蚀和沉积过程有着重要的影响。
3. 空气动力学在航空航天领域，湍流射流的研究对于飞行器的气动稳定性和控制具有重要意义。
流体流动中的旋转流现象
流体流动中的旋转流现象引言流体力学是研究流体的运动规律和性质的学科，而流体流动过程中的旋转流现象是其中的一个重要研究内容。
旋转流现象广泛存在于自然界和工程实践中，如气象学中的旋风和龙卷风、水流中的旋涡等。
了解和研究旋转流现象对于我们理解自然界的运动规律和应用于各个工程领域具有重要意义。
本文将介绍旋转流的产生机制、旋转流形态以及旋转流的数学模型等内容。
旋转流的产生机制旋转流的产生机制主要与流体内部的速度分布和受力情况有关。
在自然界和实际工程中，旋转流常常是由以下机制引起的：应力分层机制在流体内部，当流体受到外力作用时，流体内部的粒子受到不同的力和应力分布。
如果流体受到的外力作用具有旋转的趋势，那么流体内部的粒子也会随之产生旋转运动。
应力分层机制是旋转流现象形成的基本机制之一。
惯性力作用机制当流体中存在一定的速度差异时，惯性力会对流体内的粒子产生作用，使其发生旋转运动。
这种机制在旋涡流中尤为明显，旋涡流是由速度梯度引起的，其中速度梯度越大，旋转流现象越明显。
引力和离心力平衡机制引力和离心力平衡机制是在重力场中存在的旋转流现象，如自然界中的旋风和龙卷风。
这种机制是由于重力和离心力平衡的结果，流体在旋转过程中受到离心力和引力的作用，形成旋转流现象。
旋转流的形态旋转流的形态各异，常见的有旋涡、漩涡和涡旋等形态。
它们在自然界和工程实践中广泛存在，具有多种不同的特征和表现形式。
旋涡旋涡是一种流体流动中产生的环状或圆状的旋转流。
它形成于流体的速度梯度区域内，通常表现为流体质点围绕某一轴线旋转的现象。
旋涡可分为正旋涡和逆旋涡两种类型，分别代表旋转方向相同和相反。
漩涡漩涡是流体流动中一种呈螺旋状的旋转流。
它通常发生于流体中的边界层区域，常见于水流中的水旋涡、气象学中的龙卷风等。
漩涡的特点是流体质点的旋转轨迹呈螺旋形状，具有较强的旋转性和局部集中的能量。
涡旋涡旋是一种较大尺度的旋转流。
它通常形成于较大的流体系统中，如海洋中的涡旋、大气环流中的气旋等。
燃烧空气动力学
第三，各个方向的脉动速度与平均速度 也显著不同。对平均速度而言，是W 大大 低大于Wy 和 Wz 。而脉动速度的分布却 是 W W W 。虽然 W 最大，但三个方向 的脉动速度值基本上处于同一数量级。
x
' ' '
'
x
y
z
x
2．射流的动量交换 运动和物质是不能分离的。我们在说 明物体的运动状态时，必须注意到物体的 质量和它的运动速度两个方面。而动量mw 就包含了这两个参数。
对于在气流中进行的燃烧过程来说， 紊流起着重大作用。它能够决定气体交换 现象和混合现象的性质和速度。当燃烧过 程是在扩散区进行时，紊流也能够决定燃 烧过程在该状况下的性质和速度。
第三节直流射流及其组合的 空气动力学
通常，燃烧过程中应用的射流都是紊流的， 也就是说在这种射流中有分子微团的不规则运动。 其主要特征是，除了射流流体作整体运动外，还 有分子微团的纵向脉动和横向脉动，特别是横向 脉动对射流中的转移现象起着主要的作用。 下面将分别研究各种直流射流的空气动力学。 除特别指出者外。这些射流都是流入具有静止介 质的无限空间的，其静止介质的物理属性和温度 都与射流的相同。
Wx Wx Wx ' W W ' Wy y y W W ' Wz z z
把气流真正速度分为平均速度和脉动 速度有如下的优点：（1）瞬时的真正速度 值是不稳定的，它随时间而变化，因而使 理论研究很困难。这样代换后，可以在大 多数情况下假定流体的流动是准稳定的。 （2）试验研究时测量瞬时的真正速度值比 较困难，而工程上只须知道平均速度就行 了，而无须知道其脉动速度，这样问题就 要简单得多。
对于形状较复杂的燃烧设备来说，在 更低的雷诺数下就可能过渡到紊流工况了。 此时流动的主要特征是气流分子微团作无 规则的混乱运动，而气流内各点的温度、 速度、浓度、压力等参数都随时间而变化。 混合过程此时已不是决定于分子的扩散而 是决定于分子微团的扩散即紊流扩散。
流体力学第六章 旋转流体动力学
为了突出旋转流体的主要特征，下面着重讨论以偏向力有 重要作用的流体运动，此时，在运动方程中，偏向力项远 远大于运动的惯性项和粘性项。
Zhu Weijun NIM NUIST
假定流体运动满足： RO <<1 或者RO →0（即 Rossby 数很小）；
Ek =
R0 →0 Re
同时要求： RO L/UT →0 （即要求T很大，1/T → 0，即 对应缓慢运动或者准定常流动）。
d aV a = dt
∑F
i
i
考虑地球的旋转效应，引进的旋转坐标系；前面给 出旋转坐标系与惯性坐标系之间的基本关系，以下 通过分析，得出适用于描述旋转流体的运动方程。
Zhu Weijun NIM NUIST
daVa dVa = + ΩΛVa ⇒ dt dt
d aVa d V + ΩΛr = + ΩΛ V + ΩΛr ⇒ dt dt
da d = + ΩΛ dt dt
① ② ③
①绝对变化项 ②相对变化项 ③牵连变化项
Zhu Weijun NIM NUIST
对于任意矢量
A
，满足：
da A dA = + ΩΛA dt dt
该算子是联系惯性坐标系与旋转坐标系的普遍关系。
Zhu Weijun NIM NUIST
（惯性）静止坐标系 绝对坐标系
此时，无量纲方程变为：
1 1 1 2kΛV′ = − ρ′ ∇′p′ + Fr g′ R0
Zhu Weijun NIM NUIST
方程进一步处理： 考虑压力梯度力项（两种情况）： ①假设流体不可压： 1 p′ ρ ′ = const ⇒ − ∇′p′ = −∇′( ) ρ′ ρ′ ②正压流体：
回转窑煤粉燃烧器空气动力学的分析与研究(二)
专题 论
径 的增加 而增加 的 涡流 ，其 径 向扩 展 比 自由射流 的 径 向扩展 更迅 速 。 自由涡 流恰 与此相 反 ，切 向速度 随半径 的增加 而减 小 ，压 力场平 衡着 离心力 ，不会 产生 内部 回流旋涡 。燃烧 器采 用不 同 的旋 转装 置 ， 在 喷 口附 近 的切 向速 度分布 图形是 不 同的 ，其 火焰
（ 收稿 日期 ：２０ — １ ０ ０ ９ １－ ４）
第二代纯低温余热发电技术采用较高的主蒸汽 压力和温度 ，提高了热力系统的效率 ，同第一代发
２１
２ １ 年 第３ ００ 期 Ｎ ． ２ １ ｏ３ ００
江旭 昌 ：回转窑煤 粉燃烧 器 空气动力 学 的分析 与研究 （ ） 二
的稳 定性 也就不 同。 图１是蔡吉尔和比尔采用切向进 口环形燃烧器 ５
进行试验所测得的速度和静压的分布曲线 ， 表明旋 流强 度越大 ，速 度分布 曲线就 越 ” 。
另外 ，旋 流射流 会使卷 吸量 增加 ，同时当旋 流
论
／ ／
８
．
一０ — —４ —２ 一８ ４ ３ ６
回转窑煤粉燃烧器空气动力学的分析与研究 （ 二）
江旭 昌 天津市博纳建材高科技研 究所 （０ ４ ０ ３０ ０ ）
２１ ．１旋 转 射 流
实际上是轴线上 的分速度 ，称 为 “ 向分速 ”；二是 轴 径 向分 速 ，它 是单 元气 体 与射 流 轴线 间距 离 的变 化 速度 ；三是切 向分速 ，它是 沿着 以射流 袖线 匕 一 点为圆心的并通过周 围 匕 莱 点Ａ 的切线方 向的分速 。
电技 术 相 比 ，余 热 发 电能力 大 幅提高 ，系统 的适 应
性 、可靠 性也较 好 。
chapter9讲义燃烧室空气动力学
9.2 燃烧室空气动力学燃烧室空气流动在燃烧室的设计和性能方面非常重要，如果有一个好的空气动力学的设计，并且与喷雾匹配良好，则燃烧室的气动热力性能就不会有太大的问题。
在燃烧室机匣内，头部端壁（含旋流器）和火焰筒壁面将燃烧室的流动分为两个部分，头部端壁、火焰筒以及机匣中的流动称为外部流动，而头部和火焰筒内部的流动称为内部流动。
见图9.26所示。
图9.26 燃烧室的内部流动和外部流动外部流动的主要特征是扩压降速，并保证流动均匀，不发生分离，为内部流动提供良好的进气条件。
内部流动分主燃区流动、掺混区和冷却壁面附近的流动。
主燃区的流动是形成回流区，实现燃烧室的高性能燃烧，掺混区的流动主要是保证燃烧室出口温度分布符合发动机总体的性能要求，当然，出口温度分布与主燃区的流动也有很密切的关系。
火焰筒壁面的流动主要是气膜流动，保证火焰筒壁面的高效冷却。
本小节主要集中在燃烧室的外部流动以及内部流动中的主燃区及掺混区流动。
见图9.27。
火焰筒壁面流动在火焰筒壁面冷却中叙述。
图9.27 燃烧室的流动过程9.2.1 扩压器流动在航空燃气涡轮发动机燃烧室中，为了减小燃烧过程的压力损失以及缩短燃烧室的长度，从压气机出口的高速气流首先进入扩压器，通过扩压器将压气机出口高速空气流动的动压头尽可能大的恢复成静压然后进入燃烧室火焰筒。
目前高性能航空燃气轮机为了追求高的压缩性能，压气机的负荷很大，而且压气机出口空气的流速很高。
目前典型的数据是压气机出口的动压头占来流总压的10％。
扩压器的功能就是尽量的恢复该部分能量。
否则，将导致燃烧过程中压力损失大，最终使得发动机的耗油率上升。
扩压器的性能要求如下：a)压力损失低，一般而言，扩压器的损失要小于压气机出口总压的2％；b)长度短，扩压器的长度应尽量短，减小发动机的长度和重量；c)前置扩压器中没有分离，除了在突扩区域中；d)出口气流在周向和径向都均匀；e)在所有工况下运行稳定；f)对压气机出口流场变化不敏感。
空气动力学——空气流动的数学模型和水动力学原理
空气动力学——空气流动的数学模型和水动力学原理人类一直在探索自然，寻找其中的规律和奥妙。
在气体和液体的流动领域中，空气动力学和水动力学一直是研究的热点。
本文将分别介绍这两个领域的数学模型和原理。
一、空气动力学空气动力学是研究气体在物体表面流动的科学。
空气动力学的研究对象主要是飞行器、船舶、建筑物及其它工程结构物的气流特性。
空气动力学的基本研究方程式是Navier-Stokes方程式，它描述了气体在三维空间中运动的微分方程组。
这些方程可以解释风洞实验中的气流现象和飞行器在高速飞行时的空气动力学性能。
但是由于方程式过于复杂，目前仍无法对所有气流现象进行精确分析。
在通常的研究中，经常使用的是雷诺平均Navier-Stokes方程组（RANS方程组）。
这个模型假设气体流向可以拆解为平均流动和扰动流动两部分，将对平均流动的分析看作是气体流动问题的主要部分，扰动流动部分视为干扰，用一些附加的模型来进行分析。
针对不同的气体流动情况，可以采用不同的数值模拟方法，进行数值分析。
最常用的方法是有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）。
这些方法将航空、航天以及一般的流体动力学设计用计算机模拟，降低了实验和生产成本，提高了产品的可靠性和性能。
二、水动力学原理水动力学是研究液体的运动及其所产生的效应的科学，应用于水流方面的研究，例如洪灾、水利、河流、湖泊和海洋等。
与空气动力学类似，水动力学的研究对象是船舶、水利工程结构、海洋平台、波浪、洪水等。
在水动力学中，常见的问题是流体结构相互作用（FSI）问题。
研究FSI问题的方法有许多种，包括基于网格的方法和非网格的方法。
基于网格方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）和有限体积法（FVM）。
而非网格方法有物体空间分解法（BEM）和粒子法（PF）。
流体动力学的模拟分析在工业上有广泛的应用，如造船、岸边水利工程设计、水电站的设计评估、混合设备的设计等。
同时也广泛应用于水环境模拟、污染扩散模拟和洪水预测等领域。
气体动力学中的射流和喷射问题
气体动力学中的射流和喷射问题摘要：射流和喷射问题是气体动力学中的重要研究内容，对于理解气体的运动规律和应用于实际工程问题具有重要意义。
本论文将详细介绍射流和喷射问题的基本概念和原理，并以一些典型案例进行分析和讨论，最后总结出相应的结论。
引言：在气体动力学中，射流和喷射问题是研究流体力学的重要组成部分。
射流和喷射问题涉及到流体中的速度、压力、温度等物理量的变化，以及气体的流动特性和流场结构等方面。
射流和喷射问题的研究不仅有助于理解气体的运动规律，还具有广泛的实际应用价值，如喷射引擎、喷气式飞机等。
一、射流问题的基本概念和原理射流指的是气体在一个小孔或喷嘴中穿过后形成的高速流动。
射流可以是稳定的，也可以是非稳定的。
射流问题主要包括射流速度、射流的形状、射流的稳定性等方面。
1.1 射流速度射流速度是指射流中流体颗粒的速度大小。
根据连续介质假设，流体在射流过程中可以看作是连续的介质。
当气体从一个小孔或喷嘴中射流出来时，会受到压力的作用，从而形成高速流动。
射流速度与喷嘴的压强、射流口的几何形状、介质的物理性质等有关。
1.2 射流的形状射流的形状是指射流在空间中的空间分布情况。
根据射流所受到的作用力不同，射流可以呈现出不同的形状，如直线型、螺旋型、喷雾型等。
射流的形状与射流速度、密度、粘度等有关。
1.3 射流的稳定性射流的稳定性是指射流在运动过程中是否保持稳定的特性。
射流通常有一个稳定射流区域和一个不稳定射流区域，在稳定区域，射流流动平稳；而在不稳定区域，射流容易发生分离和湍流现象。
射流的稳定性与射流的速度、密度、湍流强度、流体介质等有关。
二、喷射问题的基本概念和原理喷射问题指的是将气体通过喷嘴或管道喷射到环境中形成的流动现象。
喷射问题涉及到喷射速度、喷射角度、气体与环境之间的相互作用等方面。
2.1 喷射速度喷射速度是指喷射气体的速度大小。
喷射速度与喷射口的压力、流量、喷嘴的几何形状等有关。
喷射速度的大小决定了喷射气体在空间中的传播范围和速度。
龙卷风等旋转流体的受力分析
龙卷风等旋转流体的受力分析一、摘要：本文通过实物试验，和数值模拟验证了龙卷风的双漏斗对流结构的可行性。
实物试验包括密闭容器中旋转液体的受力试验、密闭容器中旋转流体的出流试验，达到了模拟龙卷风漏斗形结构的目的。
通过数值模拟试验，验证了实物试验与理论之间的正确关联，并且实现了将水模型与气体模型间的移植。
实物试验中我们主要用到的是水的漩涡模型。
流体的数值模拟我们主要用的是fluent的二维单精度求解器，和三维双精度求解器。
采用VOF多相流模型求解，然后得到了试验各部分的压力、密度等数据。
最后我们阐述双漏斗对流模型的结构，并对龙卷风的一些自然现象作出解释。
关键词：对流双漏斗结构，实物试验，数值模拟二、引言：如果说物质的绝对运动是宇宙中普遍存在的规律，那么物质的旋转运动，就是宇宙中物质运动的普遍运动方式。
从微观的原子到宏观的宇宙天体，从自转到公转，各种各样的物质，都在做旋转运动。
不同物质的旋转运动规律不同，但不同物质之间又存在着联系。
本文以龙卷风为主要研究对象，研究旋转流体的运动规律。
大自然里的龙卷风诞生在雷雨云里。
在雷雨云里，空气扰动十分厉害，上下温差悬殊。
在地面，气温是摄氏二十几度，越往高空，温度越低。
在积雨云顶部八千多米的高空，温度低到摄氏零下三十几度。
这样，上面冷的气流急速下降，下面热的空气猛烈上升。
上升气流到达高空时，如果遇到很大的水平方向的风，就会迫使上升气流“倒挂”(向下旋转运动)。
由于上层空气交替扰动，产生旋转作用，形成许多小涡旋。
这些小涡旋逐渐扩大。
上下激荡越发强烈，终于形成大涡旋。
大涡旋先是绕水平轴旋转，形成了一个呈水平方向的空气旋转柱。
然后，这个空气旋转柱的两端渐渐弯曲，并且从云底慢慢垂了下来。
对积雨云前进的方向来说，从左边伸出云体的叫“左龙卷”，从右边伸出云体的叫“右龙卷”；前者顺时针旋转，后者反时针旋转。
伸到地面的一般是右龙卷，左龙卷伸下来的机会不多。
龙卷风的范围小，直径平均为200-300米；直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到1000米以上。
空气动力学中的气体流动与涡旋结构
空气动力学中的气体流动与涡旋结构空气动力学是研究气体流动与涡旋结构的学科，它在航空航天、汽车工程等领域中具有重要应用价值。
本文将从流动学角度介绍气体流动与涡旋结构的基本概念、机理以及其在各个领域中的应用。
一、气体流动的基本概念气体流动是指在一定范围内，气体在空间中不断传递的过程。
在气体流动中，涡旋结构是一种非常重要的现象。
涡旋是在气体流动中形成的一种环状或螺旋状的旋涡结构，具有较强的旋转动能。
涡旋形成的原因通常与流体速度、压力和密度分布的不均匀性有关。
二、气体流动与涡旋结构的机理气体流动与涡旋结构的机理可以从不同角度解释。
流体动力学角度上，涡旋结构的形成与流体速度场的旋度有关。
当流体速度场的旋度不为零时，即存在旋度场，涡旋结构就会形成。
涡旋结构可以通过数学工具如流线图、等压线和等密度线等进行描述和分析。
同时，气体流动与涡旋结构的机理还可以从能量角度来解释。
在气体流动中，涡旋结构的形成和演化与流体动能和压力势能的转换密切相关。
当气体流动速度增加时，动能的增加会导致涡旋结构的形成和演化。
三、气体流动与涡旋结构在航空航天中的应用在航空航天领域，气体流动与涡旋结构的研究对于飞行器的设计和性能优化具有重要意义。
通过深入研究气体流动的特性，制造商可以优化飞行器的空气动力学设计，以减小阻力、提高升力，从而提高飞行器的性能。
涡旋结构在飞行器的气动力学性能中起着至关重要的作用。
人们通过控制和利用涡旋结构，可以实现飞行器的稳定和操控。
同时，合理的设计和利用涡旋结构还可以降低飞行器的耗能，提高飞行效率。
四、气体流动与涡旋结构在汽车工程中的应用在汽车工程中，通过研究气体流动与涡旋结构的特性，制造商可以优化车辆的空气动力学性能。
良好的空气动力学设计可以降低车辆的风阻，提高燃油经济性。
涡旋结构对于汽车运动性能的影响也非常重要。
通过控制涡旋的形成和演化，可以改善汽车在高速行驶过程中的稳定性和操控性。
此外，涡旋结构的合理应用还可以提高汽车的冷却效果，保证发动机和传动系统的正常运行。
无叶片风扇工作原理
无叶片风扇工作原理
无叶片风扇是一种创新的风扇设计，其工作原理与传统风扇不同。
传统风扇通过旋转大型叶片来产生风力，而无叶片风扇则是通过空气动力学原理和射流效应来产生气流。
无叶片风扇内部包含一个电机和一个环状的外壳。
电机通过旋转内部的压缩机，产生高速旋转的气流。
这个高速气流通过外壳的圆环形设计，被压缩并加速，然后从外壳的环形口径中喷出。
由于气流的高速旋转，外壳周围的空气被卷入气流中，并形成一个强大的气流环。
这个气流环会经过外壳的环形口径，并形成一个稳定的气流柱。
这个气流柱会以高速喷出，并在周围产生负压，从而吸引周围的空气加入气流中。
这种设计能够通过空气动力学原理产生强大的气流，并使得无叶片风扇具有高效的风速和风量，同时减少了能量的消耗和噪音的产生。
此外，无叶片风扇的设计也更加安全，因为没有旋转的叶片，减少了人体触及的危险。
总结起来，无叶片风扇通过电机产生高速旋转的气流，并通过外壳的环形设计和射流效应来形成强大的气流环，最终产生高效的气流输出。
空气动力学ch2
自然界中，有旋流动是普遍存在的，如龙卷风、海浪，大 气运动，烟气在大气中的扩散，粘性流体在管道里的流动，抽 烟的人吐出的烟圈，等等。 无旋流动是一种特例，是简化而来的模型，但在空气动力 学问题中，绕流物体边界层以外的流场都可以看做无旋流动— —位流或势流。所以势流理论是空气动力学很重要的基础。
上式为存在某标量函数ϕ，使其全微分满足如下的充要条件：
空气动力学 Aerodynamics
斯托克斯定理
沿空间任一封闭曲线L的环量，等于穿过张开在L上任意曲 面S上的涡通量。所以速度环量也就成为旋涡强度的同义词。
V cos ds z dS
L S
n dS
S
n为微元面积dS的外法线方向。
如果围线内包含有涡，沿围线的环量不等于0。 如果围线内没有涡，沿围线的环量必为0。
3
4
空气动力学 Aerodynamics
3
空气动力学 Aerodynamics
u f f f f u v w t t x y z
D u v w x y Dt t z
随体导数或实质导数 Material derivative
欧拉法的加速度表达式
流线方程
dx dy dz u v w
7 8
空气动力学 Aerodynamics
以三维流动为例：
已知A点的速度 u A , v A , wA ，邻点P的速度可表示为：
空气动力学 Aerodynamics
u P u A x x z y y z y z z y
流线
变形运动包括： 线变形运动：引起体积大小变化的边长伸缩， 角变形运动：引起体积形状变化。
曲线上的任何一点，其切线和该点的微团流速指向相一致，这样 的曲线称为流线（streamline），同一瞬间，经过不同空间点， 可以画无数条流线。 流线是对流场的一个几何表达， 流线的引入，对定性、形象地刻画流速分布具有重要意义。
有限旋转气流的切向速度特性分析
吴国江，黄 震，田子平
（上 海 交 通 大 学 机 械 与 动 力 工 程 学 院 ，上 海 ２００２４０）
摘 要 ：已 有 的 试 验 结 果 表 明 ：有 限 旋 转 气 流 的 切 向 流 速 ，在 旋 流 器 出 口 头 部 区 域 常 出 现 双 峰 分
布 。 本 文 分 析 了 出 现 此 现 象 的 两 种 情 况 ，认 为 有 内 外 两 个 旋 涡 交 织 在 一 起 所 形 成 的复 合 涡 是
，
收 稿 日 期 ：２００１—０４—１３； 修 订 日期 ：２００１－０８—１７． 基 金 项 目 ：上 海 市 科 学 技 术 发 展 基 金 项 目（编 号 ：９９３０１２００４） 作 者 简 介 ：吴 国 江 ，副 教 授 ，博 士 ，热 能 工 程 专 业 ．
维普资讯
切 向 速 度 出 现 双 峰 分 布 的 根 本 原 因 。 并 根 据 涡 运 动 基 本 理 论 ，提 出 了 复 合 涡 的 理 论 模 型 ；对
无 回流 旋 转 区段 ，具 有 中 心 回 流 区 段 ，和复 合 涡 回 流 区 段 的切 向 速 度 分 布 进 行 了分 析 。
关 键 词 ：旋 转 流 动 ；涡 运 动 ；回流
维普资讯
第 ２０卷 第 ３期 ２００２年 ９月
空 气 动 力 学 学 报
ＡＣＴＡ Ａ ＥＲＯＤＹＮＡＭ ＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
文 章编 号 ：０２５８—１８２５（２ ００２）０３．０３６１．０６
Ｖｏ１．２０， Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２００２
有 限旋 转 气 流 的 切 向速 度 特 性 分 析
（Ｌ ２）
以上 诸 式 中 ，ｖ ，ｖ。，ｖ 分 别代 表 轴 向速 度 ，切 向 速 度 和 径 向 速 度 ，ｐ为 密 度 ，Ｐ 为 压 力 。 不 考 虑 壁 面 边 界 条 件 的 限 制 ，认 为 当 ｒ— Ｒ 时 ，即 为 ｒ一 ∞ ．
三维旋转喷枪射流分析及机械和控制研究
定的角度范围 内摆动 。通过对 以上关键技 术的分析研究 ， 没计 出满 足原油储 罐机械清洗工程需要 的三维旋转喷枪 。 文献标识 码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５— ０ ３ ２ ９ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ １ １
ｊ ｅ ｔ ｌ ｆ ｏ ｗ， ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｍ ｏ ｆ ｓ ｐ ｒ ａ ｙ － ｈ ｅ ａ ｄ ， ｇ ｅ ａ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｐ ｎ ｅ ｕ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｔ ｏ ｍ ｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ
Ｌ Ｕ Ｆ ｅ ｉ ， Ｐ ＡＮ Ｇ Ｌ ｅ ｉ ， Ｚ ＨＡＮ Ｇ Ｄｉ ， Ｌ Ｉ Ｙｕ ａ ｎ — ｌ ｏ ｎ ｇ ， ＨＡＮ Ｃ ａ ｉ — ｈ ｏ ｎ ｇ， ＢＡ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ — ｆ ｕ， Ｓ Ｕ Ｊ ｉ — ｘ ｉ ｎ， Ｚ ＨＯＵ Ｌ ｉ ａ ｎ — ｃ ｈ ｕ ｎ
（ Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｉ ｔ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ３ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｄ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｏ ｉ ｌ ｔ ａ ｎ ｋ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ａ ｗ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｒ ａ ｙ ｇ ｕ ｎ ｓ ｆ ｕ ｒ ｎ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ Ｏ ｌ ｌ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｐ ｏ ｆ ｌ ｆ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｏ ｆ ｊ ｅ ｔ ３ Ｄ ｒ ｅ ｔ ａ ｔ ｅ ｄ
第五章射流——精选推荐
第五章射流当流体由喷嘴喷射到一个足够大的空间时，流股由于脱离了原限制环境，而在空间中继续流动扩散，这种流动叫射流。
射流在许多金属冶炼过程中起着重要的作用。
例如，氧气顶吹转炉炼钢的氧气射流，加热炉燃料烧嘴的喷射流出等。
本章主要讨论自由射流、半限制空间射流和旋转射流。
5.1 自由射流气体从管嘴喷射到自由空间后形成自由射流，必须具备两个条件：（1）四周静止的气体介质的物理性质与喷出气体完全相同；（2）在整个流动路途中不受任何液面或固体壁面的限制。
v图5-1自由射流示意图5.1.1自由射流的结构由图5-1可以看出，射流有外边界和内边界，射流内外边界之间的区域称为射流边界层。
射流边界层是随着x方向的增长而向两边扩展。
引射更多的周围介质进入边界层；一边向内扩展，与保持速度为初始速度的区域（射流核心区）进行动量和质量的交换，使该区域逐渐地减小。
这样，沿x方向距离越大，射流边界层越宽。
在某一距离处，射流边界层扩展到射流轴心线，只有射流中心一点处的速度仍保持初始速度，射流的这一截面称为转折截面。
显然，在转折截面后，射流中心速度要开始衰减，射流半径随射流进程进一步增大。
在管嘴出口截面和转折截面之间的射流区域称为射流的初始段。
在初始段，射流中心速度等于初始速度，具有初始速度v 0的区域为射流核心区。
转折截面后的射流区域称为射流的主段或基本段。
在主段，射流中心速度沿x 方向不断降低。
射流的主段完全为射流边界层所占据。
5.1.2 动量守恒在射流过程中，流出的流体质点和周围静止的流体质点间发生碰撞，进行动量交换，把自己的一部分动量传递给相邻的流体，带动周围介质向前流动。
这样，射流断面逐渐扩大，被引射的流体量逐渐增多。
这种动量交换过程可以看作是非弹性体的自由碰撞，即静止流体质点被运动的流体质点碰撞后，随即获得了动量而开始运动。
虽然碰撞造成了动能损失，但喷射介质与被引射的介质二者的动量之和不变，因此沿x 进程射流总动量不变，即m q v=常数 （5-1）由于动量不变，沿射流进程的压力也将保持不变。
旋成体空气动力学
n
rx
dr 1 tan 0 dx 2n
一般指数曲线形 n=3/4。 (二)圆柱部 指弹头部后面的一段圆柱体，其长度以 表示。圆 Lc 柱部长径比为
c Lc / Dm
5.1 旋成体基本概念和绕流图画
(三)弹尾部 圆柱部之后的一段，一般是收缩形的，也有采用扩张 截锥形的。收缩形的形状有截锥形和曲线形。弹尾部的 2 Lt Dd 几何参数包括有长径比 t、收缩比 、收缩角 Sd 2 (或扩 Dm Dm 张角) 等。 t V 在计算中有时需要求侧表面积 和体积 ，对于头部和截 St 锥形尾部可利用下列式子：
5.2 空气动力系数的一般表达式
弹丸在空气中运动时，所受空气动力(力矩)取决于 弹丸表面的受力状况。而表面力只有两种分力即压强p 和切向应力τ ，见图5-10。因此，求弹丸所受的空气动 力和力矩，实际上就是求p和τ 沿表面的分布．在没有 发生附面层分离时。压强分布p可以用理想流体理论来 计算，τ 来源于粘性，可用附面层理论来计算。在迎角 为零的轴对称流动中， 一般附面层不但没有分离而 且也很薄，上述处理方法的 结果符合实际情况。在迎角 不为零时，附面层将发生分 离，按理想流体理论计算的 表面压强分布须加以修正。
2、抛物线型 母线为一抛物线，其一般方程是 r x(a bx cx2 ......) 而实际应用的抛物线形母线方程为 r x(2 x) 母线斜率为
dr 1 tan (1 x) dx n
(5-6)
在弹顶点 x ，则顶点斜率为 0 式(5-6)可以改写为
(5-7)
LB B 为旋成体长径比，相应的有 Dm
、 n
Lt t 分别表示弹头部、圆柱部和弹尾部的长径比。 Dm 2 Sd D 2 d Sd 为旋成体收缩比。 D d 2 Sm Dm
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一、旋转射流的空气动力学特性
旋转射流在工程技术中得到广泛的应用，不仅是因为它有较大的射流扩张角，射程短，能在较窄的炉室深度中完成燃烧反应过程，而且在强旋流射流的内部形成了回流区，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，还从内回流区中卷吸介质，使大量高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利着火和稳定燃烧。
1.1旋转射流的特征数—旋流数
研究表明，在自由旋转射流的任一截面上，其旋转动量矩M和轴向动量K 都是守恒的，即：
M——旋转射流对轴线的旋转动量矩；
K——轴向动量；
R——射流截面的半径；
——射流介质的密度；
p——射流任意截面上的静压；
Q——射流流量；
w、u——燃烧器内的平均切向速度和轴向速度；
——旋转气流的旋转半径。
这两个特征量反映了旋转射流的空气动力特性，故国内外都推荐采用以这两个量为基础组成的一个无因次准则来表征旋转射流的特性，称为旋转强度或旋流数，用字母表示。
L——燃烧器喷口的特征尺寸。
目前主流的旋流度定义方式有三种。
第一种形式：
这种表达式为我国和前苏联所使用。
第二种形式：
第三种形式：
以上两种形式主要为西欧各国所使用。
其中D为燃烧器出口直径。
1.2轴流式直叶片旋流器的旋流度计算
1.2.1几何结构旋流度S
关于旋流度的计算，《煤气设计手册》下册提出以下计算方法：当定性尺寸L取时，
（）
S——旋流强度；
R——旋流器叶片外侧圆半径；
R1——旋流器叶片内侧圆半径；
——叶片倾斜角；
n——叶片数；
c——相邻叶片出口处的平均间距；
——叶片厚度。
1.2.2实际旋流度S p
根据燃烧器的几何结构计算的旋流强度和实际的旋流强度是有差别的，一方面燃烧器的流道存在摩擦损失，另一方面由于中心回流区的存在使得出口的气流截面小于燃烧器的实际出口截面，故计算的出口截面速度将小于燃烧器实际出口速度。
这样实际的旋流强度S p将小于几何结构参数决定的S值。
实际旋流强度的计算目前还没有成熟的理论依据，对于轴流式叶片旋流器，当旋流角度较小时，一般认为实际的旋流强度略低于几何旋流强度。
1.2.3综合旋流强度
工程中实际采用的燃烧器通常是将空气分为一、二、三次风，由此形成整个燃烧器的空气动力结构，故引入燃烧器的综合旋流强度的概念，即：
式中，下标1,2,…表示一、二、…次风；、表示某一通道的当量直径和当量面积；即
其中，D max和D0为旋流燃烧器最外通道直径和中心通道的直径。
1.2.4扩锥口对旋流强度的影响
由于具有扩锥，气流在扩锥出口处的轴向速度降低，而切向速度却并未降低
多少，即扩锥使切向速度和轴向速度之比增大，扩口对旋流强度起增强作用。
用M 1、M 2和K 1和K 2分别表示扩锥前后的动量矩和轴向动量，则：
其中，D 1、D 2为扩锥进口和出口的直径。
由于旋转动量矩M 守恒，而
，整理可得：
即由于扩锥口的作用，扩锥出口的旋流强度大于扩锥前的旋流强度。
在研究喷口几何形状和旋转流的相互作用的过程中，观测到三种基本的流动类型，如图1所示。
图 1带有扩锥的旋转射流的基本形式
第一类：A 型，在旋流强度为零或较低时，环形空气流趋向于在喷管喉部附近从喷管表面分离。
这种射流与无旋转的自由射流相似，并在位于燃烧器出口下游的某一位置产生脉动的火焰锋。
第二类：B 型，在中等旋流强度或高旋流强度时，空气流稳定地贴附到扩张型喷管壁面上，并包围着中心回流区，这种流动能够产生高度稳定的火焰，其着火点靠近喷管出口，甚至在扩张段的内部。
这种流动形式通常是人们所希望得到的。
第三类：C
型，即径向贴壁射流。
较大的扩口角和较短的扩口长度容易产生
附壁燃烧，这种流动的回流区尺寸加大了，适用于要求对巨大的吸热体表面进行高强度而又分布均匀的辐射加热炉。
但附壁燃烧容易引起炉壁或喷口的磨损。
在A型和B型这两种流型之间流动的相对稳定性见图2所示。
图 2 A型和B型这两种流型之间的相对稳定性
图中提出的临界旋流度即建立B型流型所要求的最小旋流度，其数值是扩张型喷嘴半张角的函数，如图3所示。
图3临界旋流度作为喷管半张角的函数
二、环状旋流燃烧器的气流结构
与无中心管的自由旋转射流相比，环状旋转射流主要有以下特点。
（1）由于中心管的存在，使回流区更靠近燃烧器的出口。
（2）和无中心管旋转射流相比，环状旋转射流的回流区明显增大，如图4所示。
图4旋转射流回流区长度
（a）无中心管；（b）有中心管
（3）环状旋转射流和无中心管的自由旋转射流最大回流速度的比较如图5所示。
U max/U0
图5旋转射流的最大回流速度
1——自由射流；2——环状射流
对环状旋转射流来说，中心回流区的最大回流量可以近似表示为：
式中K为实验常数，K=0.073。
（4）环状射流的轴向速度衰减更快，具有更大的扩张角，容易产生飞边现象。
三、共轴双旋流燃烧器的空气动力特性
大多数的旋流器都由多层共轴的环状旋转射流共同组成，双旋流燃烧器的流动情况如图6所示。
图6共轴射流流动示意图
1—一次风旋流器；2—二次风旋流器；3—回流区；4—卷吸外界气体；4—轴向速度分布；
6—切向速度分布；7—反向流动区边界；8—回流区边界
在两股强旋转射流的作用下，形成强大的中心回流区和外围回流区两个回流区。
这种共轴旋流由不同旋流强度的两股环状旋转射流所组成，它们的旋转方向可以同向，也可以是异向。
根据实验数据回归的共轴旋转射流各参数关系式可供定性分析参考。
流程：
回流区宽度：
回流区长度：
回流量
外边界宽度：。