第5章 射流

第5章射流

定义：流体由喷咀流出到一个足够大的空间后，不再受固体边界限制而继续扩散的一种流动。

举例：气体、液体燃料的燃烧、转炉吹氧、炉外精炼、高炉喷吹等。

分类：按机理

按流动性质

主要内容：射流的一般特征及经验公式。

5.1 自由射流

⒈定义：流体自喷咀流入无限大的自由空间中称为自由射流。

形成自由射流必须具备两个条件：

⑴射流流体物理性质如温度、密度等与介质相同。

⑵空间介质不动，且不受边界的限制。

⒉基本特点

自由射流可分为几个主要区域：图5-1 P84

喷出的流体与周围介质之间具有很大的速度梯度，流体质点间进行动量交换，喷出流体减速，同时周围流体被卷吸并引向喷出方向而加速，射流边界越来越宽。

射流外边界：射流速度为零。

射流内边界：射流速度保持为初始速度v0。

射流边界层：射流内外边界之间的区域。

转折截面：射流中心一点还保持为初始速度v0的射流截面。

⑴初始段：喷口截面到转折截面之间。特点：射流中心

速度等于v0，。

⑵基本段（主段）：转折截面以后的区域。特点：x，v 中¯，为射流边界层所占据。

⑶射流核心区：具有初始速度v0的区域。

⑷射流极点：射流外边界线逆向延长的交点O（射流源），张角为180~260。

实验证明，x，v中¯，V（卷吸），动量不变，静压力与周围介质相同，动能E¯（因碰撞而产生动能损失，这一损失转变为热能而散失）。

⒊速度分布（经验公式）

⑴截面上速度分布

(1)

b¾射流的半宽度。

式中d0¾喷口直径；b0¾喷口半高度。

⑵中心速度分布

圆形射流：

扁形射流：

⒋截面平均速度及流量

通过(1)式求出观察截面的平均流速，

圆形射流：扁形射流：

再应用流量公式求出该截面的流量qx，对圆形射流为

扁形射流

5.2 旋转射流

定义：流体在喷出前就被强制旋转，喷出后脱离了固体壁面的约束，在无限大空间处于静止的介质中继续流动。

vq（切向速度） vx（轴向速度） vr（径向速度）

⒈旋转射流的特性

⑴存在一个回流区：

图5-9 P88 实线¾ vx 虚线¾ vq

在轴心处vx<0，回流区边界上vx = 0，回流区边界与射流边界（vx = 0）之间vx有一最大值vmax，x，vmax¯，vx分布趋于平坦均匀，回流区变小直到消失。

⑵速度沿程衰减快

图5-10 P88 vx、vq、vr、轴心速度vm。

当以后，vq、vr基本上消失，只有vx存在。

⑶射流中心有很强的卷吸力

图5-11 P88 旋转射流沿程压力的变化

射流轴线上的静压力低于大气压力（负压），说明旋转射流中心有很强的卷吸作用，x，静压力®大气压力，卷吸作用¯。

⒉旋流强度

⑴旋流强度的定义及计算

定义：表明旋流设备（喷嘴）所产生旋转射流特性的几何特征数，用S表示。

Gf¾角动量矩（切向冲力绕x轴）；Gx¾轴向推力；R¾喷嘴喷口半径。

叶片式旋流喷嘴的旋流强度

r1¾环形通道内半径；r2¾环形通道外半径；¾叶片的旋转角。

由计算式可知：旋流喷嘴结构一定，旋流强度S一定。

⑵旋流强度对气流结构的影响

① 对速度场的影响

旋转射流卷吸周围介质的气体量随其旋流强度的增大而增大，经验公式为：

S，卷吸量，紊流扩散越强，消耗的能量，速度衰减快。改变S®改变气流的速度分布和调节焰的长度。

S，火焰短，温度较高；S¯，火焰长，温度分布均匀。② 对回流区的影响

回流区尺寸随旋流强度的变化如图5-13 P90

S，回流区尺寸，稳定火焰和改善气流间混合的手段。

③ 对旋流器效率的影响

S，流动阻力，提供能量（大的压差），¯。

因此，在选择旋流器结构和旋流强度以满足生产工艺要求时，应综合考虑。

在研究旋转射流时，以S来区分旋转射流的状态，一般认为

射流射向限制空间—限制射流特点：回流区、旋涡区。本章小结：

主要内容：射流定义及分类，自由射流，旋转射流，半限制射流，射流的相互作用。

重点：自由射流，旋转射流。

难点：射流的相互作用。

基本要求：掌握自由射流、旋转射流的特性，理解射流的相互作用。