《课件3-519第9章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课件3-519第9章（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九章第九章 绕流与射流绕流与射流 重点阐述不可压缩粘性流体绕流二维和回转物体绕流现象及其绕流阻力的计算，分析 工业生产中常遇到的紊流射流问题。 9-1 绕流阻力绕流阻力与与阻力系数阻力系数 当粘性流体绕流物体时，物体总是受到压力和摩擦力的作用。作用在整个物体一表面 上的压力和摩擦力的合力 F 可分解为两个分力，即绕流物体的未受干扰时来流速度 V方向 上的分力 FD，及垂直来流速度 V方向上的分力 FL。对于在静止 流体中运动的物体来讲，由于 FD与物体运动方向相反，是阻碍 物体运动的力，故称之为绕流阻力；FL称为绕流升力。于是 DL FFF+= 绕流阻力和升力二者都包含摩擦力和压力两个分量，
2、因此， 物体所受摩擦力和压力的大小及二者的变化是分析绕流阻力的 基础。 一、绕流阻力一般分析一、绕流阻力一般分析 物体壁面所受摩擦阻力是粘性直接作用的结果，所受压力又称压差阻力，是粘性间接 作用的结果，当粘生流体绕流物体时，边界层分离是引起压差阻力的主要原因。 下面以圆柱绕流为例来说明绕流阻力的变化规律。 在绕流未分离的情况下，由理想流体所确定的物面上的压强分布如图 6-12 所示，在第 六章的第四节详细地讨论过这个解，物体所受压力阻力为零。 在绕流圆柱体发生严重分离的情况下，由于柱体后部背流面存在分离区，此时主流区 的边界处在分离区的外缘，柱面上的压强分布不同于未分离时的压强分布，从分离点开
3、始， 柱体后部受到的流体压强大约等于分离处的压强，而不能恢复到理想流体绕圆柱体流动时 应有的压强数值，从而产生对圆柱体的压差阻力。图 9-1(b)所示是有边界层分离的圆柱面 上的无因次压强分布，实验曲线见图 6-12 中的 II、III 曲线。 对于摩擦阻力，其形成过程比较清楚。实验表时，象机翼、船只和其它一些流线型物 D F L F F v 体都有较大的摩擦阻力。钝体如圆柱、球、桥墩和汽车等都有较大的甚至压倒优势的压差 阻力。由于压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，因此，压差阻力又称为形状阻力。 二、阻力系数二、阻力系数 虽然绕流物体阻力的形成过程从物理观点看完全清楚，但要想从理论上通过面
4、积分求 解一个任意形状物体的阻力是十分困难的，目前都是由实验测得，工程上习惯借助无因次 阻力系数来确定总阻力的大小，即 AVCF 2 DD 2 1 = (1) AV F C 2 D D 2 1 = (2) 式中A为物体的投影面积，当物体主要受压差阻力时，采用物体垂直于来流速度方向的投 影面积，即迎流面积。 物体的阻力系数的大小，主要取决于雷诺数Re的大小和物体的形状，也与物体在流场 中的方位密切相关。由相似定律知道，对于不同的不可压缩流体中的几何相似体，如果Re 相等且在流场中的方位相同，则它们的阻力系数相等。因此，在不可压缩流体中，对于与 来流方向具有相同方位的几何相似体，如果Re相等且在流
5、场中的方位相同，则它们的阻力 系数相等。因此，在不可压缩流体中，对于与来流方向具有相同方位的几何相似体，其阻 力系数CD只是Re( v lV =Re，式中l为特征尺寸)的函数，即 ()Re D fC= (3) 图9-2和图9-3给出了无限长圆柱体和球体阻力系数与Re的实验关系曲线。 由图可知， 在不同的Re下，流动现象的差异和阻力系数的大小是明显的。 下面仍以圆柱为例，具体分析随着Re的变化绕流现象的变化过程及阻力系数的大小。 (1) 在Re1的范围内，流动如图9-4(a)，边界层没有分离，其特点为圆柱表面上下、 前后流动对称且呈层流流态。流动阻力来源于柱面摩擦阻力的合力，CD与Re成反比，如
6、 图中直线部分。 (2) 在35|V| 燃料下落到炉底没烧尽。 =+ + 小体处于悬浮状态时 小体下降时 小体随气流上升时 , , , BD BD BD WFF WFF WFF 9-4 紊流射流紊流射流 在很多工程技术部门，如涡轮机、锅炉、燃烧室、化工冶金设备等各种流体装置中， 都会遇到大量的流体射流运动问题。工程上经常遇到这种情况：气流经由管嘴喷射到一个 中够大的空间中去，不再受固体界面的限制，而在大空间中继续扩散流动，这种流动就称 为射流。例如：消防车自来水龙头射出的一束水，从烟囱冒出的烟气等都是自由射流。由 于自由射流一般都是紊流，所以，有些教科书又称它为紊流射流。 一、自由淹没射流的特
7、征一、自由淹没射流的特征 下面我们就来观察流体从喷管喷射到温度和重度均匀与射入流体相同的静止流体中的 情况。 射流由管口射出，流体沿喷管的轴线方向运动，但由于射流注是紊流，所以，流体不 但沿喷管轴线方向运动，而且，还发生剧烈的横向运动，结果造成与周围静止流体进行质 量与动量交换，引起或带动周围流体流动。结果沿流程射流流量增加，射流宽度(或直径) 不断加大，并且，射流本身速度逐渐减小，最后射流的动量全部消失在空间流体中，这种 情况好像射流在空间介质中淹没了，所以又叫做自由淹没射流。 上述分析说明：射流具有抽引外界流体进入的能力，这种能力称为引射能力。 下面分别说明自由淹没射流的特性。 (1) 转
8、折截面 假定对流以超临界速度的初速u0从喷管喷出，其速度均匀一致。在流动中，由于周围 流体不断加入，射流宽度逐渐加大，而在射流中还保持u0的区域(又称为射流核心区)，则 逐渐缩小。一段距离以后，保护u0的区域完全消失，只有射流中心一点处还保持初速u0。 射流的这一截面就称为转折截面。显然，转折截面左侧，射流中心线上均保持初速u0，而 转折截面之后，射流中心速度开始下降。 (2) 射流初始段和基本段 喷口截面和转折截面之间的射流区段称为射流初始段。转折截面后的区段称为射流基 本段。基本段中，射流中心速度沿流动方向不断降低，并且，射流基本段完全为射流边界 层占据。(射流边界层是这样规定的，通常把速
9、度等于零的边界线称为射流外边界线(或面)， 而轴向流速保持u0的边界面(即射流核心区的边界面)称为内边界，而内外边界之间的区域 就称为射流边界层。 (3) 射流核心区 即在射流中继续保持初速u0的区域。 (4) 射流极点，射流极角(又叫射流扩散角) 射流外边界线的交点称为射流极点，由图可以看出，射流极点是管嘴内部的一个几何 点，且外边界线之间的夹角称为射流极角，或称为射流扩散角。 射流的基本特征射流的基本特征 (1)2RS(即射流边界层的宽度小于射流长度)； (2)u(为横向分速，u为轴向分速)； (3)试验证明：整个射流区压力相等，等于周围环境介质压力； (4)内外边界均是直线； (5)基本
10、段内轴向速度u沿x逐步减小。 (6)单位时间内射流各横截面沿x方向动量保持不变，等于喷管出口处的原始动量。即： 错误！不能通过编辑域代码创建对象。错误！不能通过编辑域代码创建对象。 (1) 二、圆形截面轴对称射流二、圆形截面轴对称射流 如图9-11所示， 2 00 RA=，yyAd2d=，代入式(1)，则： = 1 0 2 m 2 0 2 m 0 d2 R y R y u u R R u u (2) 根据射流理论和实验修正，有 0464. 0d 1 0 2 m = R y R y u u (3) 在转折面处， m0 uu =。因此在转折断面上的无因次半径恒为常数，28. 3 0 = R R ，
11、与射流 速度无关，得： 294. 0 996. 0 0 0 m + = R S u u (4) 令， 0m uu=，得初始段长度为ST a R S 0 T 67. 0= 单位时间内通过任一射流截面的流体量为： = 1 0 m m 2 0 d2d22 R y R y u u uRyyuQ R = 1 0 m0 m 2 0 0 2 0 d2 R y R y u u u u R R uR (5) 其中0985. 0d 1 0 m = R y R y u u ，且 0 2 0u RQ=，可得： += =294. 021. 212. 2 0m 0 0 R S u u Q Q (6) 三、平面射流运动分析
12、三、平面射流运动分析 平面射流指的是长宽比较大(理论长度为无限大)的矩形喷嘴中射出的流体运动。 这种喷 嘴只能在垂直于喷口长度方向上扩散，故称为平面射流。 平面射流如图9-11所示。其实验系数K=2.4，于是4 . 2)2/(tg=，xb2.4=。因此 可得 )42. 0(4 . 2 00 += b S b b (7) 平面射流的几何特征、运动特征及动力特征与圆断面射流相似，因此各运动参数的运 算与圆断面射流类同。注意到下面两个修正积分 = 1 0 2 m 2847. 0)()( b y d u u ，= 1 0 m 4046. 0 b y d u u 于是得 42. 0/ 21. 1 0 0
13、 m + = bSu u (8) 0 T 04. 1 b S= (9) 42. 017. 1)(42. 1 0m 0 0 += b S u u Q Q (1 0) 四、不等温自由淹没射流的热交换四、不等温自由淹没射流的热交换 在燃烧技术中，经常会碰到射流的温度与周围介质温度不同的情况。在这种射流中， 由于紊流混合会引起热量的转移，同时由于射流速度场的相似性必然亦会引起温度场的相 似性(不论是射流被加热还是被冷却)。 所不同的是热量扩散比动量扩散快些， 因此温度边界 层比速度边界层发展快些。关于温度场的分析方法与速度场相同，结果也类似。温度分布 公式为 对于圆断面轴对称温差射流 29. 0/ 7
14、 . 0 0e0 em + = RSTT TT (11) 对于平面温差射流 42. 0/ 04. 1 0 e0 em + = bS TT TT (12) 式中Tm射流轴心温度； Te射流周围介质温度； T0射流出口初始段温度。 五、自由淹没射流的浓度扩散五、自由淹没射流的浓度扩散 在燃烧过程中，射流所含混合物浓度常与周围介质混合物浓度不同，因此在紊流自由 射流与周围空间介质扩散的过程中，也必然会产生紊流的物质转移现象。如带有煤粉的一 次风射流离开喷燃器在炉内扩散时，或可燃混合气流向炉内喷射，都会引起射流与周围介 质之间的物质交换。由于紊流扩散的类似性，理论和实验分析得出，射流断面上的浓度差 与温度差沿射流方向的变化规律完全相同。于是 对于圆断面轴对称射流 29. 0/ 7 . 0 0e0 em e0 em + = = RSTT TT CC CC (13) 对于平面射流 42. 0/ 04. 1 0e0 em e0 em + = = bSTT TT CC CC (14) 式中Cm射流轴心浓度；kg/m3 Ce射流周围介质浓度；kg/m3 C0射流出口初始段浓度。kg/m3 通过上述分析，比较圆断面和平面射流，可得如下结论； (1) 圆断面射流：um/u0与S成反比，Q/Q0则与S成正比；平面射流：um/u0与S成反
