气体射流的自由与受限，陶瓷技术中的应用

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：当气体喷射到充满静止介质的无限空间中去时，射流完全不受固体壁面的限制，这种射流称自由射流；当气体喷射到有限空间时，射流要受到空间的部分限制，这种射流称受限射流。图1-2-9受限射流示意图此外，在有限空间的死角处，由于空间的局部变形而引起的局部循环区，称为旋涡区。如射流喷出口靠近有限空间的下部，则回流区全部集中在射流的上部与有限空间的顶部之间。

气体脱离了原来限制它流动的管道，不再受固体壁面的限制，而在空间继续扩散流动，这种气体的流动称为射流。如喷射到窑内的可燃气体、烟囱冒出的烟气等都属于射流现象。

射流有层流和湍流两种流动状态。另外，射流射入空间的大小对射流的流动规律也有很大影响。当气体喷射到充满静止介质的无限空间中去时，射流完全不受固体壁面的限制，这种射流称自由射流；当气体喷射到有限空间时，射流要受到空间的部分限制，这种射流称受限射流。

（一）自由射流

1.等温湍流自由射流

等温湍流自由射流是指周围介质温度和密度与喷出气流相同且在管嘴出口处形成湍流状态的自由射流，它的形成如图1-2-8所示：

图1-2-8　等温湍流自由射流的形成

2.温差射流和浓差射流

当周围的气体温度和密度与喷射气体不同时，自由射流的温度和浓度就会引起变化，致使喷射气体与周围气体之间产生热量交换和质量交换。在湍流自由射流中，由于热量扩散要比动量扩散快，因此温度边界层要比速度边界层发展得快而厚。

3.射流弯曲

非等温射流由于射流的密度与周围气体密度不相等，所受的重力和浮力不平衡，射流发生弯曲。当热射流水平射至冷气体时，射流轴线向上弯曲；当冷射流水平射至热气体时，则向下弯曲。

射流弯曲现象对火焰的刚性、火焰在窑炉内的传热、窑炉内的温度分布以及窑炉的寿命都有一定的影响。

（二）受限射流

射流喷入一个限制空间时，既受到周围空间的限制，又不能充满整个空间，如可燃气体喷入燃烧室或窑炉内的射流，称为受限射流。其流动规律与自由射流、管流均不相同。

1.受限射流的形成

当气体向有限空间喷出时，由于有限空间的边壁限制了射流边界层的扩散，使受限射流的半径和流量不像自由射流那样沿射程增大，而是增大到一定程度后逐渐减小，其边界线呈橄榄形，如图1-2-9所示。在边界层的内部是与射流方向一致的直流区，在边界层的外部形成与射流方向相反的回流区，于是在限制空间内的流线呈闭合状，这些闭合线环绕回流中心C而流动。

图1-2-9　受限射流示意图

此外，在有限空间的死角处，由于空间的局部变形而引起的局部循环区，称为旋涡区。旋涡区的气体流动方向是不规则的，没有一定的回路。在旋涡区内气流更新慢、温度低，不利于窑内传热，增加气流阻力，加剧窑体的侵蚀，因此操作、调控窑炉时要注意死角处温度和其他区域温度的均匀性。

2.限制空间内的气体循环(www.chuimin.cn)

窑内的气体循环能使物料迅速而均匀地得到热量，加强窑内气体循环，有利于窑内传热。根据实验和生产实际，气体循环的强烈程度和循环方向与下述因素有关。

（1）限制空间的大小

主要取决于射流出口截面与有限空间截面积之比，若这个比值很小，属等压自由射流，不会产生气流循环；若很大，则形成管流，也不会有气流循环。因此，适当的截面比值会使循环气流达到最大值，这一比值要根据生产实际情况来确定。

（2）射流喷出口的位置

如射流喷出口的位置在有限空间的中央，有限射流就上下左右对称，如图1-2-9所示，回流区在四周。如射流喷出口靠近有限空间的下部，则回流区全部集中在射流的上部与有限空间的顶部之间。

（3）射流喷出口与气流出口的相对位置

当射流喷出口与气流出口位于同一侧时，射流在开始时按惯性流动，射流撞击墙面后失去其惯性，反向朝出口流去（如图1-2-10），由于循环气流部分的流向与射流主体方向是一致的，气体循环得到了加强。这种循环气流有利于高低温气体的相互混合，从而使温度均匀。

图1-2-10　同侧排气的受限射流流动情况

当喷出口位置与气流出口位置不在同一侧时（如图1-2-11），循环气流发生在直流的两边，由于阻力较大，循环较弱，回流区也小。

图1-2-11　异侧排气的受限射流流动情况

气流出口的位置及布置往往是很重要的，只要其布置恰当，尺寸合适，气流就可以被引导到所需之处。

有多个射流喷出口的空间，为了加剧气流循环，可以把射流喷出口布置成相反并相互错开，图1-2-12可以当作平面图，也可以当作立面图。当作立面图，必须使物料不妨碍气体的循环。现代隧道窑的燃烧系统布置时就要考虑如何加强窑内的气流循环，其烧嘴布置形式多采用此类布置。

图1-2-12　喷出口互相错开以后产生的气体循环

（4）射流的喷出压强及射流与墙面交角的影响

射流射出后的压力能转变成动能，动能越大，惯性越大，可以带动回流区的气体越多，气体循环越强烈。射流与墙面交角大，射流与墙面碰撞后会较早脱离墙面而改变方向，形成回流。由于回流区位置向前移动，回流区缩小了。

影响气流循环的因素很多，除上述四种影响因素外，窑墙、窑顶和挡墙的位置、窑炉内物料排列情况、窑炉内的抽力等因素都会影响气体循环。

气体射流的自由与受限，陶瓷技术中的应用

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