旋转水射流

所谓旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下产生的具有三维速度的、射流质点沿螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流，也称之为旋动射流。

这种射流与常规的普通圆射流的主要不同点在于其外形呈明显扩张的喇叭状，具有较强的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力，并能够形成较大的冲击面积，产生良好的雾化效果。

旋转射流作为一种特殊射流，早已被用于工农业生产中。

喷洒农药的雾化器就是一个典型实例，液体农药通过管道被压到一个装有旋流片的雾化器中，使农药液流产生高速旋转，并喷出雾化器，达到雾化农药的目的。

工程技术中常常利用旋风原理来组织燃烧炉中的燃烧过程，如旋风燃烧室、旋风预燃室等。

因为燃料的燃烧过程可分为三个基本阶段：燃料与助燃空气的混合、燃料与空气的混合物升温到藉火温度，以及燃烧反应过程。

燃烧反应过程也就是燃料和空气中氧气之间进行的氧化过程，这个阶段实际上是瞬间完成的。

而前两个阶段则需要较长的时间。

因此，组织混合的过程决定着整个燃烧过程和火焰的特性，从而决定着炉膛内的温度分布和对工艺要求的适应程度。

在旋风燃室或顶燃室中，由于旋转射流能使流体质点以较高的速度旋转前进，形成扩散，产生一定程度的雾化，并且在强旋射流的内部形成一个回流区．旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从回流区中卷吸介质，故它有较好的“抽气”能力，使大量的高温烟气回流到火炬根部，使燃料与空气充分掺混，提高温度和浓度的均匀分布程度，保证燃料顺利着火和火炬稳定燃烧，提高燃烧效率。

另外，在石油钻并工程中使用的固控设备(如除砂器、除泥器、离心机等)，也是利用旋转流体的离心力原理将流体中的因相颗粒进行分离清除，以保持洗井浓的性能，满足钻井过程中的安全快速钻进之需要，旋转射流的流动见图所示。

通常用圆柱坐标来描述旋转射流的运动，将射流各质点的流速分解为三个分量：轴向流速u，径向流速和切向流速，这三个流速分量的时均流场和脉动流场就可表示旋转射流的运动状态。

vw旋转射流的旋动程度，简称旋度(或称旋流数)，是区别于一般射流的一个重要运动参数。

常见的加旋方式可归纳为以下三种：
(1)采用切向注入法。

通过改变切向注入与轴向注入喷嘴内流体的比例来调节旋转射流的强度。

此法使喷嘴内流体迅速掺混，出口紊动度较高，容易形
成较强的雾化和扩散。

常见的旋流燃烧室和旋流分离器大都采用此方式。

(2)采用固定导叶加旋法。

该方式使用导向元件导引流体改变流动方向，使流人时的纯轴向流动变为具有一定切向速度的三维流动。

在这种方式中，因叶片表面附近的流动较慢，导叶对流动的干扰作用较小，出口紊动度较小，扩散程度中等，基本属于势流涡.
(3)采用机械旋转法。

这种方法一般专用于实验，用机械的方法旋转长管可以产生弱旋流动，使用内旋转盘则可产生强旋流动，但转盘产生的次流使形成的流场更加复杂。

叶轮外径与喷嘴的尺寸密切相关,本设计的喷嘴外径取33mm，由于导向叶轮固定于钻头内部,取叶轮外径D0=25mm,轮毅直径一般取外径的三分之一。

在理想状态下,旋流强度是不受叶片长度影响的,但在实际流体的流动中,叶片越长则对流体的导向效果就越好、越稳定；但叶片长度越长,则导流流道就越长,则必然会引起流动损失的增加。

因此叶片长度也需经过实验确定,本设计取长度等于轮毅直径的三倍。

另外,对于理想流体，叶片的叶面形状对旋流强度没有影响，但对实际流体的流动，由于叶片面壁对粘性流体的作用，叶面的形状对导流效果必然产生影响。

叶面形状的不同，必然会对流体流动造成不同的阻力损失。

因此，从减小导流叶片的阻力，提高旋流喷嘴效率的观点出发，必须对叶片形状进行合理设计。

但是三维变厚度叶片设计制造过于复杂，因此一般对叶片形状进行适当简化，采用等厚度叶片。

并且为了使流体流动阻力较小，一般使叶片形状与流体的流线相一致，取叶片形状曲线方程为r=e mθ,其中m为流经导向叶轮流体的轴向速度与切向速度之比，A为方程系数。