6-湍流射流流动-89
流体射流
（5）促进化学反应 由于空泡溃灭时产生的瞬时局部高温和 高压，这样的极端条件将为在一般条件下 难以实现或不可能实现的化学反应提供一 种非常特殊的物理环境，并将引发复杂的 化学效应，从而开启一条新的促进化学反 应通道。
5.几种射流装置
一、射流泵： 工作流体从喷嘴高速喷出时，在喉管入口处因为周 围空气被射流卷走而形成真空，被输送的流体被吸入。两股流体在喉 管中混合并进行动量交换，使被输送流体动能增加，最后通过扩散管 将大部分动能转换为压力能。 依据工作流体的种类射流泵分为液体射流泵和气体射流泵，主要
转折截面 外边界
内边界
极点
扩散角 (极角) 核心收缩角
射流在形成稳定的流动形态后，整个射流可分为以下几个区域：由管嘴出口
开始，向内、外扩展的掺混区域，称为射流边界层； 它的外边界与静止流体相接触，内边界与射流的核心区相接触。（显然，射 流边界层从出口开始沿射程不断的向外扩散，带动周围介质进入边界层，同时 向射流中心扩展，至某一距离处，边界层扩展到射流轴心线，核心区消失，射 流这一断面称为过渡断面或转折断面。） 射流的中心部分，未受掺混的影响，仍保持为原出口速度的区域，称为射流
射
流
报告人：李文珂 报告时间：2013.10.10
1
射流的概念
2
射流分类
3 射流结构和特性 4 射流的应用 5 几种射流发生器
1.射流的概念
射流（jet）：指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动， 并同周围流体掺混的一股流体流动。
液体射流（水射流切割） 车）
气体射流（射流消防
2.射流分类
一、液体射流的分类
核心区。
从管嘴出口到核心区末端断面（称为过渡断面）之间的射流段，称为射流的 起始段L0。 起始段后的射流段，称为主体段。在主体段中，轴向流速沿流向逐渐减小， 直至为零。 当主体段的外边界线延长交于轴线上O点，称为射流源或极点。外边界线与轴 线的夹角称为扩展角或极角，用α表示
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。
管道压力降计算
管壁粗糙度通常是指绝对粗糙度(ε)和相对粗糙度(ε/d). 绝对粗糙度表示管子内壁凸出部分的平均高度.在选用时,应考虑到流体对管壁的腐蚀、磨蚀、结垢 以及使用情况等因素。如无缝钢管，当流体是石油气、饱和蒸汽以及干压缩空气等腐蚀性小的流体时，
可选取绝对粗糙度ε=0.2mm;输送水时,若为冷凝液(有空气)则取ε=0.5mm；纯水取ε=0.2mm；未处理水取 ε=0.3mm∼0.5mm；对酸、碱等腐蚀性较大的流体，则可取ε=1mm或更大些。
Re= duρ = 354 W = 354 Vf ρ
µ
dµ
dµ
(1.2.4-1)
式中
Re——雷诺数，无因次；
u——流体平均流速，m/s；
d——管道内直径，mm； μ——流体粘度，mPa·s；
W——流体的质量流量，kg/h； Vf——流体的体积流量，m3/h； ρ——流体密度，kg/m3。
1.2.4.1.4 管壁粗糙度
工程设计标准
中国石化集团兰州设计院 实施日期:1999.06.01
管道压力降计算
SLDI 233A13-98 第 1 页 共 98 页
1 单相流（不可压缩流体） 1.1 简述 1.1.1 本规定适用于牛顿型单相流体在管道中流动压力降的计算.工艺系统专业在化工工艺专业已基 本确定各有关主要设备的工作压力的情况下,进行系统的水力计算.根据化工工艺要求计算各主要设备之 间的管道(包括管段、阀门、控制阀、流量计及管件等)的压力降，使系统总压力降控制在给定的工作压 力范围内，在此基础上确定管道尺寸、设备接管口尺寸、控制阀和流量计的允许压力降，以及安全阀和 爆破片的泄放压力等。 1.1.2 流动过程中剪应力与剪变率之比为一常数,并等于其动力粘度的流体称牛顿型流体.凡是气体都 是牛顿型流体,除工业上的高分子量液体、胶体、悬浮液、乳浊液外，大部分液体亦属牛顿型流体。 1.2 计算方法 1.2.1 注意事项 1.2.1.1 安全系数
工程流体力学中的射流与溢流流动分析
工程流体力学中的射流与溢流流动分析工程流体力学是研究在各种工程中流体的运动和相互作用的学科。
其中，射流与溢流流动是工程流体力学中的两个重要现象。
本文将分析射流与溢流流动的特点、应用以及数值模拟方法。
一、射流流动分析射流是指在一定条件下，流体从一个管道或孔洞中以一定速度喷出。
射流流动是工程中常见的现象，如喷管、喷嘴和涡喷。
射流流动有以下特点：1. 高速度：射流流动的速度通常较高，这与流体的动量守恒定律有关。
射流流动将液体或气体的动能转化为机械能，可用于喷淋、清洗、喷射等工程操作。
2. 流形发展：射流流动在离开射流口后会形成一个射流束，随着距离的增加，射流束逐渐扩散，形成流形发展。
根据流形的特点，可以确定射流流动的稳定性、均匀性等。
3. 喷流特性：射流流动呈现出各种不同的喷流特性，如在一定距离后发生的分离、内部逆转、喷雾等现象。
这些特性对于工程设计和优化具有重要意义。
在工程实践中，射流流动广泛应用于水利工程、喷涂设备、火箭喷气推进器等领域。
为了准确描述和分析射流流动，可以采用数学模型和数值模拟方法。
常用的数值模拟方法有有限元方法、有限差分方法和计算流体力学方法等。
二、溢流流动分析溢流流动是指当液体或气体从容器或管道中溢出时的流动现象。
溢流流动的特点如下：1. 自由表面：溢流流动在某一位置形成了一个自由表面，即溢出口处的界面。
这个自由表面对于分析溢流流动的稳定性、流量计算等具有重要影响。
2. 流态转换：溢流流动涉及到液体由管道中持续流动到外部环境中的转换，这个过程中液体的流态也会发生转换，如由层流流态转变为湍流流态。
3. 涡流与湍流：溢流流动常常伴随着涡流和湍流的形成，这与流体受到的阻力和扰动有关。
涡流和湍流的产生对于流动的能量损失和波动有一定影响。
溢流流动在各种应用中都有重要作用，例如水坝溢流、淹没式泵站的溢洪、水池排水等。
为了分析和优化溢流流动，可以采用实验方法和数值模拟方法。
实验方法包括通过试验台和仪器观察和测量溢流流动的各个参数，数值模拟方法如计算流体力学方法可以通过建立相应的数学模型对溢流流动进行模拟和预测。
射流
射流jet从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股流体流动。
经常遇到的大雷诺数射流一般是无固壁约束的自由湍流。
这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来而不断扩大，并流向下游。
射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
距射流源足够远处，湍性射流可以用边界层理论进行分析。
下面以不可压缩流体的平面湍性射流（见图）为例来说明，并设周围流体处于静止状态。
纵向平均速度ū(x,y)不等于零的射流区是以中心线为界的上下两个“边界层”的组合。
图中虚线是通常边界层理论意义下的边界。
在整个射流区内压力几乎不变。
因此，对于定常平面湍性射流，以下湍流边界层方程组（见湍流理论）近似成立：式中ū、尌为x、y方向的平均速度；ρ为流体密度；τ为湍流剪应力。
为求解以上方程组，首先必须写出湍流剪应力表达式。
根据涡粘性假设，，式中ετ为涡粘性系数，它是湍流的一个重要特征参数。
此系数可用L.普朗特提出的混合长l表示，即，并假定混合长沿射流宽度保持不变,且l(x)～b(x)，这里b(x)为射流宽度的一半。
为了简化分析，进一步假定射流各横截面上的速度分布具有相似性，即。
根据以上方程和假定，H.赖夏特等对不可压缩流体的平面湍性射流进行了完整的理论分析，求得与实验相吻合的结果。
其主要结果如下：①射流宽度同到射流源的距离成正比，即平面湍性射流的边界是一条从射流源发出的直线，如果忽略雷诺数的影响,此射流大约以13°半角向后扩张；②射流速度分布为；③射流中心线上最大速度同到射流源的距离的平方根成反比，因此，随着此距离增大，射流最大速度越来越小。
轴对称湍性射流的分析方法同平面湍性射流类似。
不同的是，基本方程必须采用轴对称边界层方程，而且在结果中～x-1,即射流中心线上最大速度比平面射流衰减得更快。
上面仅讨论了不可压缩流体的常压自由射流。
各种工程技术中遇到的射流要比这种射流复杂。
《流体力学》第六章气体射流ppt课件
例6-2：已知空气淋浴地带要求射流半径为 1.2m，质量平均流速v2为3m/s，圆形喷 嘴直径为0.3m，求1、喷口至工作地带的 距离。2、喷嘴流量。
已知射流直径D, v2,d0,a, 求S和Q0
D d0
6.8
as d0
0.147
紊流系数
sn
0.672
r0 a
喷嘴种类 带有收缩口的喷嘴
v2 v0
又 r R 0x0/x r0 0 /rs 0/r01 x /0 t gs3 .4 a (x0s)3 .4 ax
以直径表示
D6.8(as 0.147)
d
d0
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
ppt精选版 X
7
由两图中可见：无论主体段或起始段内， 轴心速度最大，从轴心向边界层边缘，速 度逐渐减小至零。
ppt精选版
14
Bn和Cn值
n
1
1.5
2
2.5
3
Bn 0.0985 0.064 0.0464 0.0359 0.0286
Cn 0.3845 0.3065 0.2585 0.2256 0.2015
Bn
1
(
v
)nd
0 vm
Cn
1
(
v
)n d
0 vm
rR02vvm 0 22B220.0464
v 3.28 r m
0.155
2
78o40' 2 9 o3 0 '
3 2 o1 0 '
流体力学第六章 气体射流
射流考虑，当长宽比大于10时，按平面射流考虑。
6.按射流流体的流动方向与外界空间流体的流动
方向不同，可分为顺流射流、逆流射流和叉流射流。
7.按射流流体与外界空间内流体的温度及浓度不
同，可分为温差射流和浓差射流。
8.按射流流体内所携带的异相物质的不同，可分
为气液两相射流，气固两相射流和液固两相射流以及
流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，
为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间 射流
射流的分类方法：
1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流 和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺 数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音 速射流和超音速射流。
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动
R 3 .4 R 0 ( as R0 0 . 294 ) 3 . 4 a s R 0
所以，喷口至工作区的距离为
s R R0 3 .4 a 1 . 2 0 . 15 3 . 4 0 . 08 3 . 86 m
射流起始段长度为
习 题 解 析
s n 0 . 672 R0 a 0 . 672 0 . 15 0 . 08 1 . 26 m 3.86 m
R r0 ＝ x x0 ＝ x0 s x0 ＝1＋ s x0 1 3 .4 a s r0 3 .4 ( as r0 0 . 294 )
R r0
3 .4 a x , x
x r0
D d0
as 6 .8 d 0 . 147 0
tg K a
0 . 965 as r0 0 . 294
，可得
四种湍流模型介绍
由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力，必须要慎重选择湍流模型。
用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟，将计算结果与实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区特性。
涉及的湍流模型：标准k-ε湍流模型（SKE)1标准k-ε湍流模型有较高的稳定性，经济性和计算精度，应用广泛，适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动。
2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。
在fluent中，标准k-ε湍流模型自从被Launder and Spalding 提出之后，就变成流场计算中的主要工具。
其在工业上被普遍应用，其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。
3但其也有某些限制，如ε方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。
另外，其预测强分离流，包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。
它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。
动能输运方程是通过精确的方程推导得到，耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。
应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，此标准κ-ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。
可实现的k-ε模型是才出现的，比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点：·可实现的k-ε模型为湍流粘性增加了一个公式。
·为耗散率增加了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。
术语“realizable”，意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。
应用范围：可实现的k-ε模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。
而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。
可实现的k-ε模型和RNG k-ε模型都显现出比标准k-ε模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。
由于带旋流修正的k-ε模型是新出现的模型，所以还没有确凿的证据表明它比RNG k-ε模型有更好的表现。
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《高等流体力学》
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789
第六章 射流动力学
平面射流
现象
动画实例
火箭发射
圆柱体在紊动射流下的运动现象
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889
第六章 湍流射流流动
§1 湍流射流的基本特性 §2 自由剪切湍流射流
§3 伴随湍流射流
§4 多股湍流射流相互作用
§5 射流技术
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989
§1 基本特性
定义
射流是指从各种排泄口射出或靠机械推动流入周围另一 流体域内的一股运动流体。
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1089
§1 基本特性
分类
（1）按流动类型可分为层流射流和紊动射流（湍射流）。 （2）按射流的物理性质可分为不可压缩射流和可压缩射流；
等密度射流和变密度射流。
（3）按射流断面形状可分为平面二维射流、圆形轴对称射流、 矩形三维射流。 （4）按射流周围环境的条件可分为自由射流、非自由射流（如附 壁射流、表面射流）；淹没射流、非淹没射流；
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2789
微分解
任意断面
平面紊动射流
um s ums x
y/ x
ums s1/ 3 x1/ 2 F ( )
b x bs s
引 入
u um
s F x
s 1 1 ( F F ) um x 2
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2989
微分解
J u 2 dy
平面紊动射流
4 2 s ums 3
K J /
流 速 分 布
u
3 2 3 4
K (1 tanh 2 ) x K [2 (1 tanh 2 ) tanh ] x
7.67
0.114
um u0
1 D D 6.2 x 2 x
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4189
积分解
任意断面流量
圆形紊动射流
r2
2 be
2 Q u 2 rdr 2 um e rdr um b e 0 0
出口流量
D2 Qo u0 4
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2489
§1 基本特性
动量通量守恒
动量守恒
自由射流中压强可认为等于周围流体的压强。则 射流中压强沿
x 方向没有变化，即
p 0 x
既然在
x 方向不存在压差，则在 x 方向必定保持动量
2 u dA const A
守恒，即
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2589
第六章 湍流射流流动
根据厚度线性增长律，有
b / x tan const
为射流边界线与轴线的夹角。
射流边界线性扩展为宏观概念，实验观察到的边界 线为锯齿形线。
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1889
§1 基本特性
线性扩展
自由射流主体段中无量纲流速等值线
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1989
§1 基本特性
2 um um u
（5）按射流的原动力可分为动量射流、浮力羽流和浮射流三类。
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1189
§1 基本特性
形成
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1289
§1 基本特性
形成
空气射流的流动显示片（引自Panton1984）
水射流的流动显示照片（引自Panton1984）
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1389
§1 基本特性
FF F F
1 2 F /(1 ) 4
2
特解
3289
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微分解
vt 1 dF vt 2 2 u x d x (1 1 2 ) 4 1 v v dF F 4 t ( ) t x d x (1 1 2 ) 4
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3089
微分解
施里赫廷解 雷诺应力
u vt
1 x
圆形紊动射流
u r
b x, u m
1 vt x x 0 x
vt const
控制方程 边界条件
r 0处, 0, r 处, u 0
u 0 r
《高等流体力学》
紊动特性
m=0.33
m=0.22
x/D
轴对称射流轴线流速的紊动强度（按Antonis）
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2089
§1 基本特性
u 2 (u m u ) 2
紊动特性
v
2
u 2
w2 u 2
y / b1/ 2
y / b1/ 2
平面射流各方向脉动流速比
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圆形断面自由射流
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积分解
射流各断面动量通量守恒
m
圆形紊动射流
M udm u 2 2 rdr Const
A
考虑流速分布相似性
r 2 u exp um b
特性厚度 be
r be 时
x 2 b 0
1/ 2
x 0.62 2 b 0
1/ 2
0.154
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积分解
Q be um Q0 2 b0 u0
平面紊动射流
1/ 2
2
x 2b0
1/ 2
微分
dQ 1 dx 2
第六章 湍流射流流动
§1 湍流射流的基本特性
§2 自由剪切湍流射流
§3 伴随湍流射流
§4 多股湍流射流相互作用 §5 射流技术
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189
第六章 湍流射流流动
现象
射流流动
（空气、水）
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第六章 射流动力学
现象
天体射流
蚂蚁星云喷射
双喷射流星云
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Q be2 um x 2 2 2 Q0 D u0 D 4
故流量比为
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积分解
b0 2
矩形紊动射流
0 2
y, v
z, w
y1/ 2 u0
1 um 2
um
z1/ 2
x, u
矩形断面自由射流
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积分解
雷诺应力方程
紊流模型
uiuj uiuj p (uiuj ) ul [uiuj ul ( jl ui il uj ) v ] t xl xl xl (uiul u j xl uj ul ui ui uj p ui uj ) 2v ( ) xl xl xl x j xi
微分解
平面紊动射流
vts 2 1 1 F FF F 0 2 2 ums
边界 0时,F 0, F 1 条件 时, F 0
u um
um
F tanh
解
s (1 tanh 2 ) x
s 1 1 2 [ (1 tanh ) tanh ] x 2
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3189
微分解
引 入
r / x
vt xF ( )
圆形紊动射流
2vt F u x
vt
x (F F
)
FF
2
d F ( F ) d
积 分 一 次
F 2
FF
边界条件
0时, F 0, F 0
2
1/ 2
2b0 um u0 2 x
dQ 2 e dx
1/ 2
设两侧的卷吸速度为 e
2 e
2
um
卷吸系数
e um
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积分解
r
be
圆形紊动射流
um u e
D
r0 r0 O
u
r
um
b
x
u0 L0
积分解
平面紊动射流
um u e
平面自由紊动射流
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3489
积分解
射流任意断面上单位 宽度沿x方向的动量
孔口出射的初始单宽动量 由动量守恒原理得
平面紊动射流
M u 2 dy
2 M 0 2b0 u0
2 u 2 dy 2b0 u0
考虑断面流速分布相似性
§1 湍流射流的基本特性 §2 自由剪切湍流射流
§3 伴随湍流射流
§4 多股湍流射流相互作用
§5 射流技术
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2689
微分解
平面紊动射流
u u u 1 x y y
平面紊动射流
u 0 x y
格特勒解
vt kbum
u u 2u u kbum 2 x y y
u - u u m - u
速度分布相似性