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)

⎩⎨⎧

旋转射流

、限制射流自由射流、半限制射流⎩

⎨⎧大多数情况

紊流射流

很难观察到层流射流

v v =中2

5.1b y 1v v

⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=中

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 。

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=11

.0~10.041.044.208.0~07.0a 147.0d 6.8d d

0000a b ax b b ax 扁形射流圆形射流147.0d 48.0v 0

+=

x

a v 中41.0

b 2.1v v 0

+=

x

a 中x v A

d A

⎰=

A v v x

147.0x

a 095.0v v 0

0x +=

d 41.0b x

a 492.0v v 0

0x +=20

0V d 4

v q 0π

⋅

=2

x V 4

v q x d π

⋅

=⎪

⎪⎭⎫

⎝⎛+=147.0d x a 4.4q

q 0V V 0x

41.0b x

a 2

.1q q 0

V V 0

x

+=

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

5>d x ⎩⎨

⎧><≤相重合与，回流区消失，，回流区时，0max x 0x m v v v v 2d x 0v 2d x R G G S x ⋅=

φθtg ⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡--=221321)r r (1)r r (132S θ()

d

x S S q q M M x +++=1207.05.010

每秒降压功每秒输出动能

旋流器效率=

s ηs η