撞击流按照喷嘴出口的雷诺数大小来分,可以分为层流撞击流和湍流撞击流;从喷嘴的数目来分,撞击流可分为撞壁流与对置撞击流,对置撞击流又可以分为两股对置撞击流和多股对置撞击流(三股、四股及以上);以喷嘴的形状来分,又可以分为平面射流撞击流和圆射流撞击流;从两股对置射流的出口初始速度是否相等来分,还可以分为对称对置撞击流和不对称对置撞击流。
(1)单股撞壁流
在撞壁流中,由于射流区受撞击影响较小,射流区域内的流场与自由射流相似;在撞击区内,由于壁面阻滞作用导致静压很高;对于折射流区内,折射流速度也具有自相似,但由于壁面作用,在速度分布上与自由射流有很大的差别。撞壁流的另一个特性是在射流区与折射流区都存在丰富的拟序涡结构,如图6-20所示,这些涡结构对撞击混合和热传递都起到十分重要的作用。
图6-20 自由射流与撞壁流的流动显示(Re=6 000)
(2)对置撞击流
两股高速射流相向碰撞是一种很有意义而又很复杂的现象,迄今文献中尚无充分的阐述,仅在近几十年来才有较深入的研究。较早的撞击流理论采用了“镜像”概念,认为两股相距L的射流撞击,相当于一股射流撞击与之相距L/2的平面。但后来关于撞击流中流场特性的实验研究表明,在流体与流体的撞击面上有压力波动和撞击不稳定性产生,并以反馈的机理增强。
编者利用热线风速仪测量和烟线流场显示的方法对不同喷嘴间距范围内湍流撞击流撞击面驻点的偏移规律进行了研究。当两喷嘴射流雷诺数为4 700时,得到的不同喷嘴间距下烟线流场显示照片,见图6-21(a)~(e)。从图中可以看出,在L=D、2D、6D以及8D时,同一工况得到的烟线照片的撞击面基本都位于喷嘴连线的中心位置,所以图中只给出了一张典型的照片。但是当L=4D时,却发现尽管努力地调节两个流量计气量相等,但是撞击面很难位于中心位置,不是位于靠近上面喷嘴的出口位置,就是位于靠近下面喷嘴出口的位置。图中撞击面位于中心位置的照片是极偶然的机会抓拍到的,但是撞击面在这个位置的时间也是“稍纵即逝”,很快会运动到两个靠近上下喷嘴出口的位置。从这些现象可以看出撞击流在L=4D时具有不稳定性(instability)。
图6-21 气速相等时不同喷嘴间距下烟线流场瞬时照片
续图6-21
图6-22(a)~(e)所示为不对称撞击流流场的烟线照片,图中上、下方的喷嘴射流速度之比为1.03。从图中可以看出驻点偏移时流场的两个特点。首先,尽管两喷嘴气速相差不大,但是撞击面的驻点却发生了不同程度的偏移。L=2D、4D和6D时,驻点偏移量很大,分别达到了大约0.5D、1.4D和1.33D,撞击面已经非常接近气速小的喷嘴出口;L=D和8D时,驻点偏移程度相对小得多。另一个特点就是,驻点发生偏移后,L=4D时撞击面的不稳定现象消失了,驻点位置相对气速相等时要稳定得多。
研究结果表明:在喷嘴间距为2D~8D范围之内,驻点位置对气速比的变化很敏感,气速比的微小改变可以引起驻点较大程度的偏移;在上述范围之外,随着喷嘴间距的减小或者增大,气速比对撞击面驻点位置的影响逐渐变得不显著。并且,喷嘴间距在这个范围内时,气速比对撞击面驻点偏移的影响是非线性(nonlinear)的。
由于在撞击流中,流体流动呈现出强烈的各向异性、流线弯曲特点,撞击流的理论研究一直是学者们十分感兴趣的研究课题。已有文献表明,小喷嘴间距下(L≤2D)的撞击流轴线速度的近似解析式可表示为
式中,u 0为两喷嘴出口气速,L为喷嘴间距。
将撞击流方法用于燃烧、气化等高温反应过程时,为防止流体撞击后形成的径向速度较大的高温气体对反应器壁的烧蚀,一般均采用较大的喷嘴间距,此时流体撞击前已处于射流充分发展区。
图6-22 上下喷嘴气速比为1.03时不同喷嘴间距下烟线流场瞬时照片
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