02 Chapter2 basic dynamics in jet system.pptx

第1页：课堂口头报告要求

• 按射流分区描述射流速度剖面的特征。
• 基于连续自由射流的特性，比较淹没射流与非淹没射流。
• 说明瞬时压力与平均压力、滞止压力与静压动压之间的区别。

第2页：英文论述文写作方法

论述文一般包含引言、展开与结论三部分：

1. 先提出观点；
2. 再给出 2～3 个支撑实例；
3. 最后写出结论。

第3页：良好上游流态的条件

良好的上游流动条件应满足：

1. 在通向喷嘴的 (10～50)×ID 长度内无弯头与径向流动；若使用格栅式整流器，可缩短为 (10～14)×ID。
2. 直径足够大（至少大于喷嘴内径的 5 倍）。
3. 截面为对称的圆形。
4. 表面质量良好，达到水力光滑状态。

第4页：切割射流喷嘴的几何参数

用于切割的射流，Leach & Walker 喷嘴建议：

1. 收缩角 α = 8°～18°；
2. 出口直线段长度 L = (2～4)d₀；
3. 入口直径 D₁ = (5～10)d₀。

第5页：射流中的三类压力判断

1. 流动完全滞止时由射流速度转换而成的滞止压力；
2. 水段冲击固体表面时由激波产生的水击压力；
3. 空化气泡溃灭时由微射流施加的空化压力。

第6页：第二讲导览页

讲次

第 2 讲

主题

射流系统基本力学

学时

4 学时

第7页：第二讲内容路线图

1. 非淹没射流流动特征
2. 淹没射流的速度剖面
3. 射流系统设计的考虑因素
4. 射流中的流体力学
5. 射流系统的基本流体动力学
6. 复习与作业

第8页：非淹没连续射流流动特征

1. 非淹没连续射流的一般特征。

第9页：非淹没射流的雾化与扩散

在空气中向下游运动的过程中，水射流会动态卷吸周围空气，趋于雾化与扩散，速度逐渐减慢。

特征一：雾化

射流与空气掺混后破碎成细小液滴。

特征二：长核心段

与淹没射流相比，射流核心段更长、有效喷射距离更远。

第10页：非淹没射流的流场分区

按速度剖面特征，射流流场划分为：

• 初始区（核心区）
• 过渡区
• 基本区

也可划分为：

• 发展区
• 已发展区——基本段

第11页：淹没连续自由射流速度剖面

淹没连续自由射流在基本段内具有流速的几何自相似性，速度剖面依次为初始段、过渡段与基本段。

第12页：初始段与势流核心

定义

射流中心线速度保持均匀的区域。

特征

由于卷吸周围液体，射流逐渐变宽，速度为 V₀ 的势流区越来越薄并最终消失；圆形射流的势流核心一般呈锥形。

第13页：势流核心长度的影响因素

在喷嘴加工精细、上游流动条件良好的情况下，淹没圆射流的初始核心长度一般为 D₀ 的 3～8 倍；否则可能极小乃至为 0。

可与非淹没射流对比。

第14页：过渡区与基本区的定义

过渡区

位于核心区与基本区之间，流动已呈湍流但未充分发展的区域。

基本区（已发展区）

位于过渡区下游，射流速度按自相似规律衰减的区域。

思考：什么样的流动称为自相似流动？

第15页：不同截面上的速度分布

淹没连续水射流的速度分布随喷距（靶距）不同而变化。

第16页：已发展区的速度自相似性

在淹没连续射流的已发展区，流速分布可用一条标准分布曲线或同一形式的方程来表达。

第17页：淹没射流中心线速度

初始区

中心线速度保持为喷嘴出口速度。

基本区

中心线速度随喷距衰减。

符号

L 为距喷嘴出口的喷距；L_C 为核心区长度。

第18页：基本区轴向平均速度剖面

基本区轴向平均速度可用无量纲变量 η = r/(L−L₀) 表示，呈现良好的相似性。

第19页：径向平均速度剖面

径向平均速度同样具有相似性。

思考：为什么实测点较为离散？

第20页：射流系统设计的四个方面

1. 连续射流切割
2. 特定应用
3. 空化射流的产生
4. 脉冲射流的产生

第21页：喷嘴的功能与收缩比

喷嘴的基本功能是把高压流体的势能转换为高速射流的动能。

喷嘴收缩比 (d_n/D_i)² 通常很小，因而喷嘴出口流速在整个截面上相当均匀，出口段的湍流强度也被大幅抑制。

第22页：保持射流集束性的途径

射流虽天然趋于扩散与减速，但可通过以下环节的改进保持更好的集束性与有效性：

• 上游流动条件
• 喷嘴设计
• 添加某些聚合物

第23页：连续切割的上游流态要求

良好的上游流动条件指供液管满足下列要求后形成的充分发展稳定流动：

1. 在 (10～50)×ID 长度内无弯头与径向流动；若采用格栅式整流器，可缩短为 (10～14)×ID。
2. 直径较大（至少大于 d_n 的 5 倍）。
3. 对称的圆形截面。
4. 良好的表面质量，达到水力光滑状态。

第24页：喷嘴设计的发展历程

• 1950 年代 Rose 的研究提出喷嘴应避免粗糙与流动的急剧不连续。
• 1960 年代 Farmer 通过实验指出流线型设计的重要性。
• 1964 年 Leach & Walker 给出更经典的锥形喷嘴设计：1) α = 13°±5°；2) L = (2～4)d_n；3) D₁ = (5～10)d_n。

第25页：连续射流切割示意（一）

3.1 连续射流切割（配图说明页）。

第26页：连续射流切割示意（二）

3.1 连续射流切割（配图说明页）。

第27页：聚合物添加剂的两大功能

功能一：减阻

降低管路摩阻，在泵压一定时获得更高的射流压力。

功能二：改善射流

使射流更平滑、更有力，因而射得更远。

第28页：不同用途的喷嘴选型

• 小直径（1 mm < d₀ < 4 mm）、高压（P > 34.5 MPa）的切割与钻孔，L & W 喷嘴性能令人满意。
• 灭火与水力冲采煤土，直径较大（d₀ > 20 mm）、压力较低（P < 13.8 MPa），宜选用 Rouse 喷嘴（图 2.5a 中的 30° 喷嘴）。

第29页：平面清洗用扇形射流

• 平面表面清洗宜选用扇形射流或空化射流，以获得更大的冲击面积。
• 扇形射流的冲击面为椭圆形，其长轴可达短轴的数百倍。

第30页：空化射流的产生方式

采用叶片或中心体可在射流中心引发空化，形成旋流射流。

第31页：空化射流的三阶段

在空化射流中，射流经历三个阶段：

1. 空化初生
2. 气泡长大
3. 气泡溃灭

当射流下游压力升高时，随流运动的气泡会溃灭并产生大量微射流，这些微射流速度极高、具有很强的冲蚀作用。

第32页：空化射流的作用效果

• 射流中产生的空化既能增强射流强度，又能提供更大的切割或清洗区域。
• 空化可在空气中与淹没条件下人为产生。

第33页：脉冲射流的压力时序

在脉冲射流中，固定点处的压力随时间呈脉冲序列出现。

第34页：挤压式脉冲射流特征

射流频率

单位时间内形成的水段数量。

水段长径比

L_j/D_j，即水段长度与直径之比。

射流动能

单个水段所具有的动能。

第35页：脉冲射流产生示意（一）

3.4 脉冲射流的产生（配图说明页）。

第36页：脉冲射流产生示意（二）

3.4 脉冲射流的产生（配图说明页）。

第37页：射流中的三类压力概览

连续射流

动压力

脉冲射流

水击压力

空化射流

空化微射流压力

第38页：连续射流的动压力

射流的主要作用机理为动压力：

P_d = ρV²/2

V

射流速度，m/s

ρ

流体密度，kg/m³

P_d

动压力，Pa

414 MPa 在 P₀ = 0 时对应 915 m/s；思考：当 V = 100 m/s 时，P_d 为多少？

第39页：脉冲射流的水击压力

在脉冲射流中，水击压力为：

P_p = ρCV

C

流体中的声速（水中约 1480 m/s）

各量均采用国际单位制。思考：P_p/P_d = 2C/V 说明什么？

第40页：水击压力与动压对比表

水击压力与动压力对比：下表列出不同射流速度下的压力值。

第41页：空化射流的冲击压力

在等温压缩条件下，空化射流中微射流压力为：

P_c

空化压力

P_d

射流动压力（由实验给出）

由此得到，在相同条件下 p_i = (8.6～124)p_d。

第42页：射流系统设计的计算内容

对给定射流作业，需进行细致的计算与设计，包括：

• 喷嘴出口速度与流量
• 喷嘴流量系数的确定
• 喷嘴压力降与水力功率
• 射流冲击力、反坐力与管路压力损失

第43页：出口速度与流量的基本原理

两条基本原理：

1. 伯努利方程
2. 连续性方程

注意：原式中缺少能量损失系数项。

第44页：喷嘴出口速度与流量公式

式中：P 取 MPa，V 取 m/s，d 取 mm，Q 取 L/min。

理想流体（无黏性）公式给出的是理论值，实际值需引入流量系数修正。

第45页：实际流量与流量系数

实际流量与出口速度需引入流量系数 C 修正，C 为无量纲因子。

思考：流量系数如何影响射流？如何确定并提高它？

第46页：流量系数的影响因素

一般规律

对特定流体与喷嘴，C 通常是喷嘴收缩比与出口流动雷诺数的函数。

临界雷诺数

当雷诺数增大到某一界限后，C 与雷诺数无关，仅与收缩比有关，此雷诺数称为临界雷诺数。

收缩比

喷嘴出口与入口直径之比相关参数。

第47页：黏度系数与收缩系数

C_v

黏度系数，反映黏度的影响。

C_c

流动收缩系数，对喷嘴取 1。

第48页：孔口与喷嘴的名义流量系数

水射流用孔口及名义流量系数 C 的取值参见教材第 2.18 页。

第49页：日本JIS管喷嘴的C与β关系

若 β > 0.2，即 d₂/d₁ > 0.447，则 C > 1；但在射流技术中 d₂/d₁ 远小于 0.447。

第50页：流量系数的理论求解

如何获得喷嘴的真实 C 值？可基于理论分析求解。

第51页：流量系数测试的必要条件

测试喷嘴流量系数时需注意：

1. 确保入口流动条件均匀；
2. 采用较小的压力增量，首次实验从 P_n = 0 开始；
3. 待流动稳定后，准确测量实际流量 Q_a 与对应的压力 P_n；
4. 按式 (4)、(5) 计算理论流量 Q_i 与流量系数 C。

第52页：流量系数的判定方法

1. 将计算得到的 C 与 P_n 标在 P_n —C 坐标平面上，并与前一点连成直线。
2. 若连线趋于水平，则该 C 即为真实值，测试结束；
3. 若 C 继续下降，则返回第 (2) 步进行下一轮测量。

第53页：高流量系数喷嘴的工艺要求

流量系数较大的高质量喷嘴应具备：

1. 流线型收缩段；
2. 良好的表面加工质量。

思考：如何提高 β 值？

第54页：喷嘴压力降计算

ΔP

喷嘴压力降，MPa

C

特定喷嘴的流量系数

A

喷嘴面积，mm²

Q

流量，L/min

ρ

流体密度，kg/m³

第55页：喷嘴与泵的水力功率

W_n = P_nQ_n/60；W_p = P_pQ_p/60（输出功率）。

W

喷嘴功率，kW

P

射流压力，MPa

Q

流量，L/min

下标 n、p

分别表示喷嘴与泵

第56页：射流冲击力与反坐力

(3) 射流冲击力 F = 2.78×10⁻³ρQ²/A₀

F

N

Q

L/min

ρ

kg/L

A₀

喷嘴出口截面积，cm²

(4) 射流反坐力（后坐力）T = 0.745Q√P_n

T

N

Q

L/min

P_n

MPa

第57页：管路压力损失计算

Δp

单位长度管路的压力损失

Q

流量，L/min

D

管内径，mm

Re

管流雷诺数，上述表达式适用于 Re = 4000～100000

第58页：第一次作业：连续自由射流

作业一（论述题）：主题为连续自由水射流，内容包括：

1. 自由连续水射流、淹没水射流与非淹没水射流的定义。
2. 非淹没水射流的特征。
3. 淹没连续自由水射流的流场分区，以及核心区与基本区的特征。
4. 核心区流动与基本区流动存在的原因。