1、環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究摘要： 本文對環(huán)形射流作用下吸氣動作了較全面的研究。 建立了相關(guān)實驗臺， 設(shè)計了帶有產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)射流葉片的風口。 測量并在理論計算了該吸氣流動在不同工況下的臨界射流速度、 速 度分布、有效范圍。理論值與試驗數(shù)據(jù)符合得很好。一、引言 消除生產(chǎn)車間有害物污染的關(guān)鍵設(shè)備是局部排風罩，其技術(shù)性能對局部排風系統(tǒng)的經(jīng)濟效果 有很大的影響， 常用的排風罩對于污染物的控制依靠單純的吸氣流動， 但其吸入速度衰減較 快。另一類吹吸式排風罩，利用射流與吸氣流動形成復(fù)合氣流，但由于其射流的特性， 即遇 到障礙物時射流易破裂，造成控制效果惡化。因此，有必要研究一種新型的吸氣流動方式， 使之既有

2、良好的控制效果，又可以減少排風罩控制污染物所需的排風量。 20 世紀 80 年代， 丹麥 C.Y.Aaberg 提出射流作用下吸氣流動原理。我國學者在20 世紀 90 年代初，將該原理應(yīng)用到對污染物的控制方面 1。該吸氣流動的特點是吸氣受射流作用，但不是二者的復(fù)合。 利用射流限制吸氣流動的流動區(qū)域， 同時射流本身又具有卷吸作用， 使其在達到單吸氣流相 同的效果時，風量大量減少，同時不受障礙物的影響。為了更好研究和利用這種吸氣流動， 筆者在二維射流作用下吸氣流動性的研究基礎(chǔ)上， 分別在實驗、 理論上對環(huán)形射流作用下吸 氣流動做了定量研究。 研究內(nèi)容包括：吸氣流動的臨界射流速度、 吸氣流動的速度分

3、布和吸 氣流動的有效范圍。二、實驗測定1.實驗裝置 為了進行相關(guān)的實驗研究，筆者設(shè)計了一套吸氣系統(tǒng)和吹氣系統(tǒng)組成的實驗裝置（如圖 1 所示） ，包括流量測量儀器，分別為風速儀，流量調(diào)節(jié)閥，風口（見圖 2），葉片 （均為有機玻璃加工制成 ）。風口的寬度由葉片的高度調(diào)節(jié)。1.接至室外的管道 2.吸氣風機 3.吸氣調(diào)節(jié)閥 4.吸氣流量 5.吹氣風機 6.畢托管 7.吹氣調(diào)節(jié)閥 8.風口圖 1 實驗裝置系統(tǒng)圖 圖 2 風口示意圖 實驗流場顯示采用發(fā)煙裝置發(fā)煙觀測來實現(xiàn)。 為了確定風口外流暢坐標， 在靠近和遠離風口 處設(shè)置一個與風口軸相對稱的相同的網(wǎng)格直角坐標， 網(wǎng)格的四框上固定的細線構(gòu)成優(yōu)點是觀 察方

4、便，不影響氣流運動。2 .測試內(nèi)容 本課題實驗測量的內(nèi)容包括臨界速度、 吸氣速度場和有效作用范圍。 實驗一共考慮了三個因 素：吹氣口的寬度 （即導(dǎo)葉片的寬度 ），吸氣風機的吸氣量和導(dǎo)葉片的數(shù)量。其中吹氣口有5cm 、10cm、15cm 、 2 0cm、 25cm 、五種。葉片數(shù)有 8 片， 16 片， 24 片三種類型。吸氣量用傾斜 式測壓計測量，分別為 2800m3/h 、2500m3/h 、 2200m3/h 、2000m3/h 、1800m3/h 。總共需 做 75 組不同工況的實驗。 實驗中， 首選確定吸氣量， 吹口寬度和葉片數(shù)， 然后調(diào)節(jié)吹氣量， 使之達到臨界狀態(tài)時，測量數(shù)據(jù)，最后利

5、用發(fā)法測量有效作用范圍。環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究 :三、臨界射流速度 環(huán)形射流作用下吸氣流動與二維相同，仍包括上、 下兩個臨界速度 1。環(huán)形乘風破浪充上 扣臨界速度定義為：在一定的吹氣寬度、吸口直徑、吸氣量下，初始射流出口速度較大，逐漸降低射流出口速度，直到射流軸線將向吸口彎曲，此時的吹氣口射流速度即為臨界速度。 實驗中通過測量吹氣系統(tǒng)吹氣量， 根據(jù)已確定吹氣口寬度及其外徑計算臨界速度。 射流的軸 線彎曲通過發(fā)煙觀察確定。實驗過程中， 測量了 75 種不同工竘下的臨界速度。 應(yīng)有回歸分析的方法 2得到臨界射流 速度與葉片數(shù)、吸氣量和吹氣口寬度的關(guān)系為：(1)- Z葉片數(shù) (片 )L-吸氣量

6、 (m3/h)b- 吹氣口寬度 (mm)由(1)式可風：臨界速度隨葉片數(shù)的增多而減小，隨吸氣量的增加而增加，隨吹氣口的寬度 增大而減小。四、流聲的速度分布 單純吸氣流動的速度衰減極快， 而射流作用下的吸氣流動， 由于射流的卷吸作用，其吸氣范 圍減小， 所以同單純的吸氣流動相比， 速度的衰減要比單純的吸氣流動慢得多。 以吸氣量為 2000m3/h 為例，為環(huán)形射流作用下的吸氣流動的軸心速度分布與單純吸氣流動的軸心速度 進行比較(葉片數(shù) 16 片 )，如圖 3 所示。由該圖可見，在吸氣量相同的情況下，有環(huán)形射流 作用下的吸氣流動的無量綱的速度要比同一點單純吸氣流動的要大得多。同時， 無論有環(huán)形射流

7、作用還是單純的吸氣流動，無量綱的速度與元量綱的距離大致成線性關(guān)系。 射流作用下吸氣流動的復(fù)雜性， 導(dǎo)致了邊界條件及相關(guān)的理論計算的困難， 特別是射流為環(huán) 形射流。本文利用相似變換的方法 4的模型方程進行求解。對于一個偏微方程或方程組，如果存在一個或多個變量能使其蛻化為常微分方程或方程級， 那么這一個或多個變量就稱為相似變量， 而這一個偏微方程或者方程組所描述的物理過程就 存在自相似性。 對于一個適定的問題，相似變量是唯一的。所以， 可以確定相似變量的存在 條件就是自相似的存在條件。相似分析法的導(dǎo)出過程如下： (1)定義線性變換群并將其代入原始方程。(2)令每一個方程對于變換群是不變的，由此推出

8、變換常數(shù)之間的生態(tài)系統(tǒng)。(3)消去變換參數(shù)，得到絕對變量。(4)用線性變換群代入邊界條件，看是否與絕對變量有關(guān)。若是，則絕對變量就是相似變 量：若否，則該問題沒有相似解。本文利用 k-方程模型，在忽略葉片數(shù)及其入口、出口角的情況下，經(jīng)過相似變換，得到常 微分方程組。在根據(jù)相應(yīng)的邊界條件， 通過數(shù)值計算的解法， 得到環(huán)形射流作用下吸氣流 (2) 顯然，當 r=0 時，此時的速度即為軸心速度，則(3) 式(3)與圖 3 所表示的環(huán)形射流作用下流動的軸心速度分布的實驗數(shù)據(jù)相符。 以 x=40cm 為例，不同吸氣量速度分布的實驗數(shù)據(jù)與計算所得的公式進行比較， 如圖 4 所示。 圖 3 吸氣量為 200

9、0m3/h 時的軸向吸入速度比較圖 4 徑向速度實驗數(shù)據(jù)的比較 u 無量綱 =Ux/u0 x 無量綱 =r0/Xx- 軸向距離( cm) r0-吸口半徑( cm)由圖 4 可見， 實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果大致相符， 表明利用相似變換的方法是可行同時， 根據(jù)式 (2)可知，當 x 一定時，該吸氣流動的速度是指數(shù)衰減的分布。動的速度分布的規(guī)律為： 環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究 :五、有效范圍有效范圍的確定，是將環(huán)形射流作用下吸氣 流動應(yīng)用于實際工程的必要條件。 以環(huán)形射流作用下吸氣流動速度聲為基礎(chǔ)， 根據(jù)流動過程 的連續(xù)性，在吸氣流聲中，任一橫截面通過的氣體質(zhì)量保持不變來計算有效范圍。(4)m0- 吸氣

10、口處吸入的空氣質(zhì)量 (kg)P-空氣的密度(kg/m3)R- 有效作用范圍距離軸線的徑向距離 (m)將式 (2)帶入上式，得到有效范圍的邊界計算式為：(5)由式 (5)計算所得有效作用范圍邊界與實驗測量邊界繪于圖5圖 5 理論公式與實驗數(shù)據(jù)的比較由圖可見， 實驗所測邊界與計算所得邊界基本相符。 有效范圍同吸氣量無關(guān)， 僅與軸向距離 x 有關(guān)。六、結(jié)論通過對環(huán)形射流作用下吸氣流動的研究，本文得到以下結(jié)論：1. 射流的臨界速度與吸氣量、葉片數(shù)、吹氣口寬度的關(guān)系顯著，隨吸氣量的增加而增大，隨 葉片數(shù)的增多而減小，隨吹氣口寬度增大而減小。2. 與單純吸氣流動相比，環(huán)形射流作用下吸氣流動的速度衰減慢地多。其速度分布以無量綱 為變量的指數(shù)衰減分布，而軸心速度則是一種線形分布。3. 在相同的控制距離和控制風速下， 單純吸氣流動所需的風量遠大于環(huán)形射流作用下流動所 需吹、吸氣量的總和。4. 有效作用范圍僅是距吸氣口距離的單值函數(shù)，與吸氣量的多少無關(guān)。 由環(huán)形射流作用下吸氣流動的特性可知， 該流動不僅可以應(yīng)用于局部排風控制有害物， 也可 用于空調(diào)中的定點回風。 對于某些場合如集中點式負荷， 可用該氣流遠距離集中回風。 既減 少空調(diào)的風量，又提高空調(diào)房間溫濕度的均勻性。參考文獻1林豹具有射流作用的槽邊排風罩的研究。暖通空調(diào)，1992, 6, 24302