第八章 旋转水射流.docVIP

——————————————————————————————————————————————— 第八章 旋转水射流 第一节 概 述 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，早巳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。在旋风燃烧室或顶燃室中，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8·1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v和切向流速w，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。 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。在早期的研究中曾采用射流出口最大切向速度，即旋转速度wm0与 最大轴向速度um0之比来表征旋流的程度： G=wm0/um0 (8—1) 但G值在某种程度亡受加旋方式的影响，不能完全代表旋动的总体特性。后来多用旋转射流切向动量矩M与轴向动量K 之比来表示，并 为了便于应用，将旋流强度处理成无因次值，用S表示。目前所见到的旋流强度表达式有三种： S=4M/πRK （8-2） S=2M/RK （8-3） S=M/RK （8-4） M=∫r2ρuwdr （8-5） 0R K=∫(p+ρu2)rdr （8-6） 0R 式中 R—喷嘴出口半径； p—射流出口处的压力； ρ—射流流体的密度。 其中式(8—2)为前苏联和我国所采用，式(8—3)和式(8—4)为西欧各国所采用比较通用。 旋转射流的产生有多种方式，但一般都需要在圆柱形喷嘴的上游采用一定的加旋措施。不同的加旋方式所得到的射流出口轴向速度和旋转速度(切向速度) 的分布各不相同，紊动特性也有差异。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。 旋度的大小不同，旋转射流的特性也有差异，因此人们常将旋转射流按旋度大小分为弱旋、中旋和强旋三种。但划分的界限尚不一致，Beer和Chigier(1972)分析运动方程的性质，认为边界层假定在S＜0.2时近似适用，在0.2＜S＜0.5时偏差较大但仍可使用，在S＞0.6时出现很强的轴向和径向压力梯度而不能适用