定义主气流速度与射流出口流速之比,为速度比λ=vs/v0,以λ来表示气流混合的程度。当速度比λ不断增大时,射流与主气流混合强度亦增大,射流的扩展率以及速度和浓度的衰减率也不断增大,而射流核心区长度则逐渐减小;反之则反。当两者速度差等于零,即vs=v0、λ=1时,混合最弱,射流核心区则贯穿了整个流场。
根据实验,射流轴心速度vm随速度比λ变化的规律如图3—3—6所示。其表明,当λ=0或λ=2.13时,轴心速度衰减最快,混合强烈;当λ接近1或λ=l时,则射流核心区最小,速度衰减最慢,射流核心长度最长。
当射流以一定的角度与运动着的主气流相交时,形成相交气流。如别流与主气流相交的角度为如90°时,就称之为横向射流。横向射流常用于燃气工业炉的锅炉中。又如强化扰动和燃烧的炉内二次空气,也是采用横向则流。图3—3—7为一圆孔射流横穿主气流时的相交气流。
设燃烧室壁上有直径为d的圆形喷孔,喷孔中心线与壁面交叉角为90°,射流(一般为燃气,或者二次空气)的初始速度v2、密度ρ2、体积流量qv,在燃烧室中有速度v1的主气流沿x方向流动。
横穿主气流的射流,在迎风面上受到主气流动压(1/2)ρ1v21的冲击,背风面则受到尾流中降压漩涡的卷刷。射流喷入燃烧室后,其前冲速度本来已经降低,再加上侧面受到主流的冲刷剪切,因而发生变形。结果,射流逐渐向主流下游弯曲,射流剖面被挤扁卷曲变成肾形(见图3—3—7中A—A剖面),肾形凹面后出现一对反转漩涡,顺流发展扩大,到下游很远才衰变散裂。
弯曲变形射流与主流之间因紊流涡团的揉搓摩擦作用,射流出现周向速度分量,增添了侧面切应力,故卷吸掺混作用特别强烈。自圆孔中心起,弯曲射流大致可分三段,即第1段是射流核OB,它比自由射流的势能核显著缩短并向下游歪斜;第Ⅱ段是显著弯曲段,射流剖面迅速变形;第Ⅲ段是漩涡扩展段,射流转到主流方向。
为了计算相交气流混合过程的各参数,必须确定混合过程与喷嘴结构系数(孔口形状、孔口尺寸等)及流体动力参数间的关系。
流体动力参数q21,等于射流在孔口处的动压与主气流动压之比:
式中 ρ1、v1——主气流(通常为空气)的密度和速度;
ρ2、v2——射流(通常为燃气)的密度和速度。
相交气流的混合特征,主要有穿透深度和射流射程。当射流轴线变得与主气流方向一致时,喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h,定义为绝对穿透深度;绝对穿透深度A与喷嘴直径d之比,定义为相对穿透深度。
在射流轴线上定出一点,使该点的轴速度在x方向上的分速度va为出口速度v2的5%,以喷嘴平面至该点的相对法向距离x1/d,定义为射流射程D。
许多学者,尤其是伊万诺夫等人对相交气流进行了较系统的研究,并得出有实用价值的计算公式。
如对于单股圆射流与主气流相交时,相对穿透深度,
式中0.132/a通常可取为2.2。
可见,要增大相交气流中的穿透深度,则要提高v2/v1值,也就是提高射流的射入速度v2。当然气流速度差会影响气流密度差,也会影响穿透深度,故综合影响因素为动力参数q21。
此外,旋转射流、交叉射流等在燃烧技术中也有广泛应用。尤其是旋转气流在提高火焰稳定性和燃烧强度方面所起的作用及效果越来越引起入们的重视。