第五节 紊流射流与紊流扩散

单项选择题(下列选项中,只有一项符合题意)

1.实验证明,射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强,则表明(   )。[2012年真题]

A.各横断面的流量相等

B.各横断面的动量相等

C.各横断面的速度相等

D.各横断面的质量相等

【答案】B

【解析】如图1所示,取图1中1-1、2-2所截的一段射流脱离体分析其上受力情况。因各面上所受静压强均相等则x轴外力之和为零,据动量方程可知各横截面上动量相等,即动量守恒,这就是射流的动力学特征。

图1

2.在射流中,射流扩散角愈大,说明(  )。[2011年真题]

A.紊流强度愈大

B.紊流强度愈小

C.紊流系数愈大

D.喷口速度愈大

【答案】A

【解析】射流按一定的扩散角向前作扩散运动,射流外边界近似为直线。对于圆断面射流则有:(a为紊流系数),即与a成正比例关系。紊流强度的大小用紊流系数a来表示:a愈大,紊流的强度就愈大,即射流扩散角愈大,紊流强度愈大。因此,a为表征射流流动结构的特征系数。另一方面,由于a反映的是射流混合能力的大小,因此,a还可以反映孔口出口截面上的速度均匀程度。a越小,则混合能力越差,说明流速越均匀。

3.喷口或喷嘴射入无限广阔的空间,并且射流出口的雷诺数较大,则称为紊流自由射流,其主要特征是(  )。[2010年真题]

A.射流主体段各断面轴向流速分布不相似

B.射流各断面的动量守恒

C.射流起始段中流速的核心区为长方形

D.射流各断面的流量守恒

【答案】B

【解析】无限空间的紊流自由射流的特征包括:射流的运动与结构,过渡断面、起始段及主体段,保持为出口流速的区域称为射流核心,只有轴心点上流速为的断面称为过渡断面;以过渡断面分界,出口断面至过渡断面称为射流起始段,过渡断面以后称为射流主体段;起始段射流轴心上速度都为,两主体段轴心速度沿x方向不断下降,主体段中完全为射流边界层所占据;几何特征,射流按一定的扩散角a向前做扩散运动;运动特征,实验结果表明,射流各截面上速度分布具有相似性;动力特征,实验证明,射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。由动量方程可知,各横截面上动量相等,即动量守恒。

4.室外空气经过墙壁上高度H=5m处的扁平窗口()射入室内。出口断面速度为,问距壁面S=7m处的质量平均速度(设紊流系数α=0.118)(  )。[2009年真题]

A.1.80m/s

B.1.154m/s

C.2.815m/s

D.1.933m/s

【答案】D

【解析】湍流射流扩散角α与湍流系数a及喷嘴断面系数φ有如下关系:,代入数值得:=0.118×2.44=0.288。试验证明,圆断面射流φ=3.4,长条缝喷出的平面射流,φ=2.44。距壁面S=7m处断面离喷嘴的距离为:,所以有质量平均速度为:

5.下列关于无限空间气体淹没紊流射流的说法中,正确的是(   )。[2008年真题]

A.不同型式的喷嘴,紊流系数确定后,射流边界层的外边界线也就被确定,并且按照一定的扩散角向前作扩散运动

B.气体射流中任意点上的压强小于周围气体的压强

C.在射流主体段的不断混掺,各射流各断面上的动量不断增加,也就是单位时间通过射流各断面的流体总动量不断增加

D.紊动射流横断面上流速分布规律是:轴心处速度最大,从轴心边界层边缘速度逐渐减小至零。越靠近射流出口,各断面速度分布曲线的形状越扁平化

【答案】A

【解析】将射流外界(流速为零的边界)AB,DE延至喷嘴内交于M点,M点称为极点,的一半称为极角,可用下式计算:,式中:为湍流系数,它反映喷嘴处流速分布的紊乱程度,由实验确定,应用时可查相关资料;为喷嘴断面形状系数。上式表明,射流的扩散角取决于喷嘴形状与出口流速。当喷嘴形状与出口流速一定时,射流的边界层的外边界线即被决定,并按一定的扩散角向前做扩散运动,此即射流的几何特征。从特留彼尔的实验结果可知,无论起始段还是主体段内,轴心处速度最大,从轴心向边界层边缘速度逐渐减小至零;离喷嘴的距离越远,轴心上的速度越小,边界层的厚度越大。实验证明,射流任意点上的压强均等于周围的大气压强;通过动量方程可以证明,各横断面上的动量相等,即动量守恒。

6.射流的运动特征之一是(  )。

A.射流流速随射程x增大而增大

B.射流流速随射程x增大而减小,射程x越大流速分布越扁平化

C.射流流速随射程x增大不发生变化

D.以上三种说法全不对

【答案】B

【解析】特留彼尔的实验结果表明:射流的流速分布规律为无论起始段还是主体段内,轴线处速度最大。从轴线向边界层边缘速度逐渐减小至零;离喷嘴的距离越远,射流轴线上最大速度同到射流源的距离的平方根成反比,因此,随着射程的增大,射流最大速度越来越小。

7.当喷嘴形状与出口流速一定时(  )。

A.射流的边界层外边界线不能确定

B.射流的边界层外边界线不能确定,沿程不断变化

C.射流的边界层外边界线就能确定

D.以上说法都不对

【答案】C

【解析】射流外边界夹角成为“极角”,极角的一半为α,极角α计算公式:tanα=aφ,其中a为湍流系数,φ反映喷嘴断面形状系数。此式表明,射流的扩散角取决于喷嘴形状与出口流速,当喷嘴形状与出口流速一定时,射流的边界层的外边界线即被决定,并按一定的扩散角α向前做扩散运动,此即射流的几何特征。

8.下列关于无限空间紊流射流特征的说法中,正确的是(  )。

A.紊流射流形成向周围扩散的圆柱形流场

B.在紊流射流各断面上动量是不守恒的

C.射流各断面的速度分布没有相似性

D.在射流中任意点的压强均等于周围的大气压强

【答案】D

【解析】无限空间的紊流淹没射流具有以下特征:几何特征,紊流射流的厚度或半径沿射流轴线方向呈线性增长;运动特征,在射流边界层内,断面纵向流速的分布具有相似性;动力特征,紊流射流中各点的压强近似相等,且等于周围流体介质的压强,出口横截面上动量等于任意横截面上动量(各截面动量守恒)。

9.下列哪项不是无限空间紊流射流所具有的特征?(  )

A.射流各断面速度分布具有相似性

B.形成向周围扩散的圆锥形流场

C.离管嘴距离越远,轴心上速度越大,边界层厚度越大

D.各断面上的动量相等

【答案】C

【解析】无限空间的紊流淹没射流具有以下特征:几何特征,紊流射流的厚度或半径沿射流轴线方向呈线性增长;运动特征,在射流边界层内,断面纵向流速的分布具有相似性;动力特征,紊流射流中各点的压强近似相等,且等于周围流体介质的压强,出口横截面上动量等于任意横截面上动量(各截面动量守恒)。

10.气体从圆形喷嘴喷到大气,对此喷射气流,以下描述不正确的是(  )。

A.任一过流断面的平均流速约为中心速度的20%

B.气流形状为轴对称

C.越往下游,最大速度越小

D.气流轴心处压强最大,越往边缘压强越小

【答案】D

【解析】圆断面射流的特征是:几何特征,气流呈圆锥体形,射流流体与周围流体介质之间的掺混是在圆锥面上进行的,即湍流射流的半径沿射流轴线方向呈线性增长;运动特征,气流轴心处速度最大,圆锥面上速度为零,喷射距离越远,边界层越厚,轴心速度越小,在射流边界层内,断面纵向流速的分布具有相似性;动力特征,气流中各点的压强近似相等,且等于周围流体介质的压强;喷射距离越远,流量越大,这是因为喷射气流边缘处的卷吸作用,将周围介质不断带入气流中;任一过流断面的平均流速约为其中心速度的20%。