流体力学与流体机械十课件.ppt

1、多媒体教学课件多媒体教学课件李文科 制作第十章第十章 喷射器与烟囱喷射器与烟囱第一节第一节 喷喷 射射 器器第二节第二节 烟烟 囱囱第十章第十章 喷射器与烟囱喷射器与烟囱 在工程上常用的流体输送装置有三大类，在工程上常用的流体输送装置有三大类，即喷射喷射器、烟囱、泵与风机器、烟囱、泵与风机。其中泵与风机又属于动力设备，泵与风机又属于动力设备，也被称作流体机械。也被称作流体机械。关于泵与风机的基本理论、设备性能、运行与管理等方面的知识将在单独的章节中讲授。本章将主要介绍喷射器和烟囱的结构、工作原理、设计计算以及在工程上的应用等。第一节第一节 喷喷 射射 器器内内 容容 提提 要要一、一、 喷射器

2、的结构和工作原理喷射器的结构和工作原理二、二、 喷射器的喷射方程喷射器的喷射方程三、三、 喷射器的效率喷射器的效率四、四、 喷射器合理尺寸的确定喷射器合理尺寸的确定第一节第一节 喷喷 射射 器器 喷射器通常属于送风及排气装置，喷射器通常属于送风及排气装置，它是利用流速它是利用流速较高的流体向限制空间内喷射，卷吸和带动流速较低较高的流体向限制空间内喷射，卷吸和带动流速较低的或静止的流体流动。的或静止的流体流动。喷射介质喷射介质与吸入介质吸入介质在喷射器的混合段内的掺混流动属于限制射流限制射流。混合后的流体称为混合介质混合介质。第一节第一节 喷喷 射射 器器 一、喷射器的结构和工作原理一、喷射器的

3、结构和工作原理 1 1喷射器的结构及各部分的作用喷射器的结构及各部分的作用 喷射器的结构：喷射器的结构： 图10-1为完整喷射器的结构简图，它是由它是由喷管喷管、收缩段收缩段、混合段混合段和和扩张段扩张段四部分组成。四部分组成。简单的喷射器只有喷管和混合段，而没有收缩段和扩张段。设计喷射器，就是根据给定的条件，确定各个部分的合理尺寸。 根据喷射介质的压力比pe/p0的不同，喷管的形式可用收缩形或拉瓦尔形。收缩形喷管收缩形喷管可得到音速或亚音速射流，可得到音速或亚音速射流，拉瓦拉瓦尔形喷管尔形喷管可得到超音速射流。可得到超音速射流。第一节第一节 喷喷 射射 器器 图10-1 喷射器的结构 第一节

4、第一节 喷喷 射射 器器 喷射器各部分的作用：喷射器各部分的作用： 混合段混合段的作用在于促使喷射介质和吸入介质的属性及速度的作用在于促使喷射介质和吸入介质的属性及速度分布均匀化。增加分布均匀化。增加收缩段收缩段和和扩张段扩张段是为了提高喷射器的效率，是为了提高喷射器的效率，前者可以提高吸入流体的入口速度，以减少两种流体混合过程中质点冲击所造成的能量损失；后者是为了减小混合流体的喷出速度，使混合流体的部分动能转化为压力能，从而增大喷射器出口与吸入口之间的压力差，提高抽吸能力。喷管喷管的作用是的作用是产生高速射流产生高速射流(亚音速射流或超音速射流亚音速射流或超音速射流)。第一节第一节 喷喷 射

5、射 器器 2 2喷射器的工作原理喷射器的工作原理 如图如图10-1所示，喷射介质在压力能的作用下经由喷管喷射所示，喷射介质在压力能的作用下经由喷管喷射到混合管内，自喷管出口截面起形成紊流射流。由于喷出的到混合管内，自喷管出口截面起形成紊流射流。由于喷出的流体与周围被喷射的流体流体与周围被喷射的流体(吸入介质吸入介质)质点发生碰撞，两者进行质点发生碰撞，两者进行质量交换质量交换和和动量交换动量交换，吸入介质逐渐被卷入射流内部并带动，吸入介质逐渐被卷入射流内部并带动其一起向前运动。又因为混合管是一个直径有限的圆筒，当其一起向前运动。又因为混合管是一个直径有限的圆筒，当前面的流体被迫向前运动时，后面

6、的流体变得稀薄而使压力前面的流体被迫向前运动时，后面的流体变得稀薄而使压力下降，在混合管入口端造成一定的负压下降，在混合管入口端造成一定的负压(抽力抽力)，促使外界流体，促使外界流体连续不断地吸入混合管内，又不断被喷射流体带走。连续不断地吸入混合管内，又不断被喷射流体带走。 喷射流体的喷射动能愈大，造成的负压也愈大，因而被带入的流体量也愈多。实验和理论都证明，对于一定尺寸的喷射第一节第一节 喷喷 射射 器器 器，被喷射流体的量与喷射流体的量基本上自动保持成正比的关系。这就是喷射器的工作原理喷射器的工作原理。 喷射介质和吸入介质流经混合管段时，由于质点的冲击作用和摩擦作用，而产生能量损失。如果两

7、种流体介质的混合是在等压条件下进行的，则混合前后的动量守恒关系为 式中G1为喷射流体的质量流量，G2为吸入流体的质量流量，G3为混合流体的质量流量，G3=G1+G2；u1为喷射流体的流速，u2为吸入流体的流速，u3为混合流体的流速。221133uGuGuG322113GuGuGu第一节第一节 喷喷 射射 器器 混合前两种流体的动能为 混合流体的动能为 两种流体在混合前后的能量损失为 (10-1) 由上式可以看出，当两种速度不同的流体混合时，两者的当两种速度不同的流体混合时，两者的速度差越大，混合后损失的能量越多。速度差越大，混合后损失的能量越多。由此可知，当G1和G2确定以后，为了减少喷射的能

8、量损失，应尽可能减小两速度的212221123221132333)(21)(2121GGuGuGGuGuGGuGE2)(2212121321uuGGGGEEEE)(2122221121uGuGEE第一节第一节 喷喷 射射 器器 差值u=u1-u2。一般情况下，根据喷射流体在喷出前后的压力差(或压力比)，可以求得速度u1，因此适当提高u2可以提高喷射器的效率。研究表明，与喷射器最佳工况相适应存在有最与喷射器最佳工况相适应存在有最佳吸入速度佳吸入速度u u2 2。 流体流经混合管产生的摩擦阻力摩擦阻力，与管长、管径、雷诺数Re及管壁粗糙度有关。 应该指出，尽管混合段内不同截面上流体的质量流量相同，

9、流量平均速度相等，但随着截面流速的逐渐均匀化，流体的静压将逐渐升高，而总动量在逐渐减小。这一点可以通过理论证明。第一节第一节 喷喷 射射 器器 二、喷射器的喷射方程二、喷射器的喷射方程 1.1.简单喷射器的喷射方程简单喷射器的喷射方程 图10-2为简单喷射器的结构简图。图中G1、u1、p1分别为喷射介质在截面上的质量流量、平均流速和静压力；G2、u2、p2分别为吸入介质在截面上的质量流量、平均流速和静压力；G3、u3、p3 分别为混合介质在截面上的质量流量、平均流速和静压力。当喷射介质为亚音速流动时，可以认为p1=p2。 第一节第一节 喷喷 射射 器器 图10-2 简单喷射器第一节第一节 喷喷

10、 射射 器器 取控制空间如图10-2中虚线所示，列出截面间的动量方程，并考虑到混合管内的摩擦阻力，得到 整理得 (10-2) 式式(10-2)就是简单喷射器的喷射方程。就是简单喷射器的喷射方程。该式说明，喷射器两端压力差p=p3-p2的大小决定于喷射器进出口的总动量差，截面与截面上的总动量差越大，喷射器两端的压力差就越大。对简单喷射器来说，p3等于外界环境压力，所以p2为负压(抽力)。喷射器两端的压力差越大，喷射器两端的压力差越大，截面上形成的抽力就越大，截面上形成的抽力就越大，这就是喷射器能够送风排气的道理。22113332333333221)(uGuGuGAudlApp2333333221

11、132321)(1udluGuGuGApp第一节第一节 喷喷 射射 器器 2. 2. 完整喷射器的喷射方程完整喷射器的喷射方程 如图10-1，列收缩段的0-0截面至截面的伯努利方程 式中K2为收缩段的阻力系数。由于入口截面流体的流速u0很小，其动能项可以忽略不计。上式简化后得到 (10-3) 再列扩张段-截面至-截面的伯努利方程 或写成22222021)1 (uKpp222222222020212121uKupup243424342333212121uKupup第一节第一节 喷喷 射射 器器 式中K4为扩张段的阻力系数。 (10-4) 由式(10-2)减去式(10-3)，再加上式(10-4)，

12、整理后得 (10-5) k为混合段入口至扩张段出口间的综合效率系数，可由表10-1查得，它代表该段内所增加的抽力(p4-p2)与扩张段入口动压(1/2)3u32之比。)( )1 (1 21)( )1 (1 212434233234423334AAKuuuKupp222233243423333221130421)1 ()( )1 (1 21)(1uKdlAAKuuGuGuGApp。令332434k)( )1 (1dlAAK第一节第一节 喷喷 射射 器器 表表10-1 10-1 扩张管的效率扩张管的效率 另外，考虑到A3=G3/3u3，则式(10-5)可写成 (10-6) 式式(10-6)就是完整

13、喷射器的喷射方程。就是完整喷射器的喷射方程。它是计算整个喷射器所造成的压力差(抽力)的基本方程式，它表明了扩张段末端与收缩段入口端的压力差与各流体参量间的关系。在其他条件22222333322113330421)1 (21)(uKuuGuGuGGuppkd4/d31.01.051.21.41.61.82.0k-0.1500.300.480.550.590.6第一节第一节 喷喷 射射 器器 相同的情况下，喷射介质的速度u1越大，(p4-p0)的值也越大。但(p4-p0)的值与u3之间的关系则不然，u3过大或过小都对喷射作用产生不利影响。第一节第一节 喷喷 射射 器器 三、喷射器的效率三、喷射器的

14、效率 喷射器的效率喷射器的效率定义为单位时间内吸入流体通过喷射器所定义为单位时间内吸入流体通过喷射器所获得的能量与喷射流体在喷射器中所消耗的能量之比。获得的能量与喷射流体在喷射器中所消耗的能量之比。 单位时间内吸入流体所获得的能量是指压力由p0升高到p4所提高的压力能以及流速由u0增加到u4所提高的动能之和，即 由于入口截面的流体速度u0与u4相比很小，可以忽略不计，因此吸入流体获得的能量可写成21)(242042uppQ)21()21(202024242upupQ第一节第一节 喷喷 射射 器器 单位时间内喷射流体在喷射器中所消耗的能量等于喷射流体在截面上的压力能与动能之和减去喷射流体在截面上

15、的压力能与动能之和，即 以上两式中的Q1和Q2分别为喷射流体和吸入流体的体积流量。 由此可得喷射器的效率为 (10-7) 在设计或使用喷射器时，通常总是力求得到最大的喷射器效率，以便在能量消耗较少的情况下获得较大的有效能。)()(21)21()21(14242111241421111ppuuQupupQ)()(2121)(14242111242042ppuuQuppQ第一节第一节 喷喷 射射 器器 由式(10-7)可以看出，为获得最大的喷射器效率，必须在喷射比Q2/Q1和喷射流体动压(1/2)1u12一定的条件下，造成最大的压力差(p4-p0)。因为分母上的(p4-p1)一项与(p4-p0)是

16、一致的，一般说来(p4-p0)增大，相应的(p4-p1)也将增大。不过(p4-p1)较之(1/2)1u12 来说，还是相对较小的。第一节第一节 喷喷 射射 器器 四、喷射器合理尺寸的确定四、喷射器合理尺寸的确定 设计喷射器就是选择各部位合理的几何尺寸，以获得最佳的喷射效率。对于不可压缩流体而言，为确定最佳效率下喷射器各部位的合理尺寸，可按以下方法进行计算。 为了减少式(10-6)中变量的个数，并容易看出各主要参量间的相互关系，将喷射器的主要参量变为无因次量，用下列符号表示： 质量喷射比质量喷射比 体积喷射比体积喷射比 喷射截面比喷射截面比 吸入口截面比吸入口截面比12GGn 12QQm 13A

17、A23AA第一节第一节 喷喷 射射 器器 因此 将上述各无因次量代入式(10-6)，经整理简化后为 (10-8) 上式表明，喷射器产生的压力差(p4-p0)与喷射介质喷出的动压1u12/2成正比，其比值是方括号内变量(m，n， ， )的函数。当喷射器的喷射比(m，n)给定后，几何尺寸不同，所产生的压力差也不同，由式(10-7)看出，喷射器所产生的压力差喷射器所产生的压力差p=p4-p0越高，喷射器的效率越大。越高，喷射器的效率越大。对不同的截面比 和 ，)1 () 1)(1)(2(22212222k221104nmKnmnmuppmuu12113muumn121113mn第一节第一节 喷喷 射

18、射 器器 可得到不同的喷射效率。分析表明，式(10-8)存在最大的压力差pmax，为得到pmax，可令式(10-8)的一阶导数为零，以求出最佳的截面比 和 。 令 得 (10-9) 令 得 (10-10)0)(04pp22ka j)1 (2) 1)(1)(2(nmKnmnm0)(04pp2a j11K第一节第一节 喷喷 射射 器器 收缩段的阻力系数K2之值依入口形状不同，其变化范围很大，在最佳尺寸附近进行喷射器计算时，可取K2=0.20.3。 将式(10-10)的 值代入式(10-9)中，得到最佳的 值为 (10-11) 当喷射比(m，n)给定以后，应用式(10-10)和(10-11)便可确定

19、喷射器的基本尺寸A1、A2和A3之间的最佳关系。将此两式代入式(10-8)中，便可得到最佳尺寸条件下造成的压力差，即 (10-12)211a ja j04211)(upp)1 () 1)(1)(2(2ka jKnmnma j第一节第一节 喷喷 射射 器器 由式(10-12)可以看出，在最大喷射效率下，完整喷射器造成的吸力(p4-p0)是喷射流体动压 的 倍。 应用式(10-12)求出(p4-p0)ja之值，并相应求出(p4-p1)ja之值，代入式(10-7)，即可求出在最佳尺寸条件下喷射器的最大喷射效率。 喷射器的基本尺寸A2和A3，可按上述公式确定，其他各部分尺寸，大多是根据实验或经验来确定

20、。 1. 1. 喷管尺寸：喷管尺寸：喷管的关键尺寸是A1，它可根据第八章中喷管的设计计算进行确定。如为收缩形喷管，当喷管收缩角为3045时，可取流量系数=0.960.84。 2. 2. 收缩段尺寸：收缩段尺寸：收缩段的关键尺寸是收缩口环形截面积21121ua j/1第一节第一节 喷喷 射射 器器 A2，由式(10-10)可见，在最佳条件下， 即A2稍大于A3。收缩段的收缩角一般取=25，收缩段的长度一般取l1=2d3。 为了减少能量损失，收缩管的形状尽可能做成逐渐收缩的喇叭形曲壁管段，收缩段进口直径可取d0=2d3。 3. 3. 混合段尺寸：混合段尺寸：混合段的关键尺寸是A3，可由式(10-1

21、1)算出，即 。混合段的作用是使两种流体相互混合，并使截面上的速度分布均匀化，从而在该段内造成一定的压力差(抽力)。为了使速度分布均匀，混合段应具有足够的长度，并且在收缩段末端与混合段的直管段之间应有一段过渡段，目的是为了进一步减少能量损失，促使速度分布均匀化。混合段内32a j32)1 (AKAA1a j3AA第一节第一节 喷喷 射射 器器 过渡段的长度一般取l2=(0.32.0)d3，直管段部分的长度一般取l3=(35)d3，那么，混合段的总长度为(l2+l3)5d3。 4. 4. 扩张段尺寸：扩张段尺寸：扩张段的扩张角一般取=68，角度再大时，将会使流体脱离管壁，造成较大的能量损失。由表

22、10-1可以看出，d4/d3太大，不会提高扩张管的效果。通常取d4=(1.52.0)d3，其长度为 l4=(d4-d3)/2tg(/2) 或者取 l4=(710)d3第二节第二节 烟烟 囱囱内内 容容 提提 要要一、一、 烟囱的工作原理烟囱的工作原理二、二、 烟囱计算烟囱计算三、三、 分流定则分流定则第二节第二节 烟烟 囱囱 要使燃料炉能够正常工作，保持炉内正常的气体流动、燃烧和热交换过程，不仅要向炉内供给足够的燃料和助燃空气，还必须不断地将燃烧生成的高温废气(烟气)从炉内排除。 采用的采用的排烟方法排烟方法有两种：有两种：一种是用引风机或喷射器进一种是用引风机或喷射器进行行人工排烟人工排烟；

23、另一种是用烟囱进行；另一种是用烟囱进行自然排烟自然排烟。 烟囱排烟的优点是：烟囱排烟的优点是：工作可靠，不易发生故障；不消工作可靠，不易发生故障；不消耗动力；能把烟气送到高空以减轻对附近环境的污染；不需耗动力；能把烟气送到高空以减轻对附近环境的污染；不需要经常维修和保养等。要经常维修和保养等。因而，一般的工业炉多是采用烟囱排烟。只有当排烟系统阻力过大或废气温度太低时，才采用人工排烟，而且也多与烟囱同时使用。第二节第二节 烟烟 囱囱 一、烟囱的工作原理一、烟囱的工作原理 烟囱能够排烟，将废气从炉尾经烟道、烟囱排入大气，是由于烟囱底部具有抽力烟囱底部具有抽力(负压负压)，这是由相对于大气的热气体的

24、运动规律所决定的，是热气体内各种能量相互转化的结果，是几何压头的作用促使气体流动。 图图10-4为烟囱工作原理示意图。为烟囱工作原理示意图。烟囱内部充满着热的烟气，其重度为g，烟囱外部为冷的空气，其重度为a。为使问题简化，先假定炉膛至烟囱出口，烟气为等温的，并处于静止状态。烟囱的高度为H，烟囱出口处烟气的相对压力pm3=0。列烟囱底部-面至烟囱出口-面间烟气相对于大气的静力学方程，基准面取在-面，得第二节第二节 烟烟 囱囱 图10-4 烟囱工作原理示意图 第二节第二节 烟烟 囱囱 因为烟囱出口处pm3=0，所以 (10-13) 由式(10-13)可以看出，因为gtgb，a路中气体的几何压头将比

25、b路中的稍大一些。由于几何压头帮助热气体上升,必将使a路中流过的气体流量较b路中更多一些。第二节第二节 烟烟 囱囱 如此恶性循环，直到由于a通道中流量增加而使阻力pw加大到与几何压头(相对位压)(aga)H增大的作用达到平衡为止。最后使得气流分布极不均匀。 反之，如果渐冷的热气体按分流定则自上而下流动，由于偶然的原因使a通道中的气流稍多时，则a通道中气体的温度要稍高一些，几何压头稍大一些。但因热气体向下流动时，几何压头对气流流动起阻碍作用，故a通道中气流所受的“阻力”将比b通道中大一些，它将阻止a通道中气流增加，很快与b通道达到平衡。这时几何压头将和阻力pw一起，起到气流分布自动调节的作用。所以渐冷的热气体应该自上而下流动，以保持气流分布均匀。本本 章章 小小 结结一、基本概念一、基本概念二、基本定律和基本方程二、基本定律和基本方程三、重要的性质和结论三、重要的性质和结论