理论教育 射流搅拌:流体动量交换与混合区扩大

射流搅拌:流体动量交换与混合区扩大

时间:2023-06-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:有研究指出,当流体运动达到湍流状态时,除非雷诺数特别大,否则传质速率不会有明显的提高,射流是一种主体扩散过程,其重要的特点就是卷吸周围的流体。射流与周围流体发生动量交换,使混合区不断扩大。中心部分未受到影响,保持原有的流速,称为核心区。对于圆形射流来说,当雷诺数大于300 时,射流会变为湍流射流,而对于平面射流来说,临界特征雷诺数为30~50,这里的雷诺数采用局部特征速度和射流宽度来表示。

射流搅拌:流体动量交换与混合区扩大

射流是指从喷射口快速进入周围流体区域内的一股运动流体,它是实际工程中广泛存在的一种流动现象,其主要特征是高速冲击和卷吸作用。流体自喷嘴射出后,在紧靠喷嘴的混合区内,高速射流造成剪切层,剪切层自然不稳定性地迅速增长,形成涡漩,从而导致射流对周围流体的卷吸。卷吸时的射流宽度沿射流方向不断增加,促进不同组成的流体之间的混合。根据射流混合理论,射流混合本质上是湍流扩散过程,并受主体扩散的控制。有研究指出,当流体运动达到湍流状态时,除非雷诺数特别大,否则传质速率不会有明显的提高,射流是一种主体扩散过程,其重要的特点就是卷吸周围的流体。试验观察表明,射流自开孔射出,在紧靠开孔的混合区内(其长度与雷诺数有关),其剪切层最大,具有较强卷吸力,周围流体不断卷入射流口,使射流口附近传质速率大,局部传质速率小。

射流卷吸周围流体的过程中存在湍流射流结构,实验结果表明,湍流射流在形成稳定的流动状态后,可分为几个区段:由喷口开始向外扩展的湍动部分是湍流剪切层混合区,混合区内有速度梯度,流动速度沿径向不断降低,至外边界处速度为零。射流与周围流体发生动量交换,使混合区不断扩大。中心部分未受到影响,保持原有的流速,称为核心区。当射流静压不变时,核心区的速度不变,保持射流出口时的流速。核心区的流动属于势流范畴,故又称为势流核心区。从出口到势流核心区末端的一段称为起始段。在起始段后部射流宽度不断扩大,形成湍流射流发展区又称射流主体段,射流主体段的流速分布具有自相似性,即每个截面的无量纲参量分布曲线是相似的。在起始段与主体段之间有一段过渡段,过渡段一般较短,在过渡段轴线上的速度开始降低,不再保持为起始速度,速度分布渐趋于完成,整个区域均属混合区。(www.daowen.com)

射流可以有很多种分类方法,按环境固体边界条件可分为自由射流和限流射流。按射流横截面的形状,可分为平面射流(二维射流)、圆形射流(轴对称射流)和矩形射流(三维射流)。比较常见的是平面射流和圆形射流。平面自由射流和轴对称自由射流的区别在于平面自由射流的轴向动量不守恒。按流体的物理性质,可分为可压缩射流和不可压缩射流,或等密度射流和变密度射流。按流动形态,可分为层流射流和湍流射流。射流的特征雷诺数可以用孔口雷诺数来表示。对于圆形射流来说,当雷诺数大于300 时,射流会变为湍流射流,而对于平面射流来说,临界特征雷诺数为30~50,这里的雷诺数采用局部特征速度和射流宽度来表示。大部分射流均为湍流射流。按周围流体的流动方向,可分为并流射流和错流射流。当射流进入流动区域时,两者流动方向相同,就构成了并流射流。当射流以一定角度进入周围运动着的流体时,就构成了错流射流,错流射流按照角度的不同又可分为倾斜射流、逆流射流和横流射流。根据本课题研究的背景来看,所遇到的流动均为错流射流。

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