射流

jet

　　從管口、孔口、狹縫射出，或靠機械推動，并同周圍流體摻混的一股流體流動。經(jīng)常遇到的大雷諾數(shù)射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體卷吸進(jìn)來而不斷擴(kuò)大，并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通風(fēng)機、化工設(shè)備和噴氣式飛機等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　距射流源足夠遠(yuǎn)處，湍性射流可以用邊界層理論進(jìn)行分析。下面以不可壓縮流體的平面湍性射流（見圖）為例來說明，并設(shè)周圍流體處于靜止?fàn)顟B(tài)?？v向平均速度ū(x,y)不等于零的射流區(qū)是以中心線為界的上下兩個“邊界層”的組合。圖中虛線是通常邊界層理論意義下的邊界。在整個射流區(qū)內(nèi)壓力幾乎不變。因此，對于定常平面湍性射流，以下湍流邊界層方程組（見湍流理論）近似成立：

式中ū、尌為x、y方向的平均速度；ρ為流體密度；τ為湍流剪應(yīng)力。為求解以上方程組，首先必須寫出湍流剪應(yīng)力表達(dá)式。根據(jù)渦粘性假設(shè)，　　　　 ，

式中ετ為渦粘性系數(shù)，它是湍流的一個重要特征參數(shù)。此系數(shù)可用L.普朗特提出的混合長l表示，即 ，

并假定混合長沿射流寬度保持不變,且l(x)～b(x)，這里b(x)為射流寬度的一半。為了簡化分析，進(jìn)一步假定射流各橫截面上的速度分布具有相似性，即

。

　　根據(jù)以上方程和假定，H.賴夏特等對不可壓縮流體的平面湍性射流進(jìn)行了完整的理論分析，求得與實驗相吻合的結(jié)果。其主要結(jié)果如下：①射流寬度同到射流源的距離成正比，即平面湍性射流的邊界是一條從射流源發(fā)出的直線，如果忽略雷諾數(shù)的影響,此射流大約以13°半角向后擴(kuò)張；②射流速度分布為；③射流中心線上最大速度同到射流源的距離的平方根成反比，因此，隨著此距離增大，射流最大速度越來越小。

　　軸對稱湍性射流的分析方法同平面湍性射流類似。不同的是，基本方程必須采用軸對稱邊界層方程，而且在結(jié)果中～x-1,即射流中心線上最大速度比平面射流衰減得更快。

　　上面僅討論了不可壓縮流體的常壓自由射流。各種工程技術(shù)中遇到的射流要比這種射流復(fù)雜。因此，根據(jù)具體情況，還應(yīng)當(dāng)考慮射流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和三維效應(yīng)、有壓力梯度的約束射流、超聲速（有波系的）射流、溫度分布以及燃燒和相變，等等。此外，高速氣體射流會伴生相當(dāng)強的氣動噪聲，也必須加以考慮。

射流

jet flow

　　液體從噴管或孔口中噴出,脫離固體邊界的約束,在液體或氣體中作擴(kuò)散流動，稱為射流。射流一般為紊流流型，具有紊動擴(kuò)散作用，能進(jìn)行動量、熱量和質(zhì)量傳遞，應(yīng)用于水力發(fā)電、消防水槍、農(nóng)田噴灌、污染擴(kuò)散、人工噴泉、水力采礦、土石方?jīng)_挖等。

　　不淹沒射流 　流入氣體中的液體射流，稱為不淹沒射流。大氣中的水射流由于紊動摻氣，沿射流方向，依次分為緊密部分、破裂部分和分散部分（圖1）。

　　水豎直射流所能達(dá)到的高度H_e小于噴口的總水頭H，兩者之間的關(guān)系用下列公式表示

　　　H_e＝H/(1+ΨH)；Ψ＝0.00025/(b+1000b³)式中 b為噴口直徑。射流緊密部分高度H_d可按下式求出

　　　　　　　　　H_d＝βH_e

β根據(jù)試驗決定,隨H_e的增大而減少，當(dāng)H_e在7～30米之間時，β約在0.84～0.72之間。

　　淹沒射流 　流入相同介質(zhì)中的液體射流，稱為淹沒射流。淹沒射流與周圍靜止介質(zhì)發(fā)生動量和質(zhì)量交換，卷吸附近介質(zhì)隨射流一同流動,流量不斷增加,流速不斷減小和均化，橫斷面不斷擴(kuò)大。淹沒射流可分為兩個部分。保持射流出口流速v0不變的部分,稱為射流核心。因卷吸與摻混作用流速小于v0的部分，即射流核心與靜止液體之間的部分，稱為射流邊界層。沿射流方向從出口斷面至射流核心開始消失的所謂過渡斷面，稱為射流初始段；過渡斷面以后的部分，稱為射流主體段。

　　無限空間淹沒射流的主要研究對象是主體段，它有下列性質(zhì)：

　　①幾何方面。射流呈直線擴(kuò)散，射流出口附近存在著擴(kuò)散中心o,稱為極點。圓斷面射流極點與出口斷面距離為1.2y₀，y₀為出口半徑（圖2）。

　　②運動方面。主體段中任意斷面上相對流速v_x/v_m在相對坐標(biāo)y/x上的分布為不變,其中v_x為斷面上坐標(biāo)y₁的x向分速。v_m為同斷面的軸心x向分速。x₁為斷面到極點的距離。圓斷面射流的相對速度公式為

　?、蹌恿Ψ矫?。射流空間壓強不變，各斷面動量、通量相等，由此可得圓斷面射流軸心流速公式為

射流

jet

　　沿切向間斷面兩側(cè)流動的物質(zhì)流(液、氣或固體粉末流)。如圖1所示，從噴口E-E以速度u0噴出的直勻氣流( 主流）與噴口外以速度uH（uH＜u0）流動的直勻氣流（次流 ）的交界面是一個切向間斷面，該面兩側(cè)氣流方向相同但流速不同 。切向間斷面是不穩(wěn)定的，通過邊界上活躍的湍流摻混作用把次流中的氣體卷進(jìn)主流，從而形成一個速度連續(xù)變化的射流邊界層（EBF及其下游） ，其中外邊界EB上的流速為uH ；內(nèi)邊界EF上的流速為u0。內(nèi)邊界以內(nèi)氣流未受擾動的區(qū)域稱為勢流核心區(qū)（EFE） 。 有核心流的區(qū)域稱為射流的初始段 ；其下游一定距離后，射流中速度分布類似于源流（曲線a-a）的區(qū)域稱為主體段，其外邊界延長線（圖中虛線）的交點P即為假想的源點；主體段與初始段之間的區(qū)域稱為射流的過渡段。就平面射流而言，在主體段內(nèi)，射流寬度與到假想源點的距離成正比；射流速度分布為u／um＝（1－η3／2）2，η＝y(tǒng)／b；射流軸線上最大速度um與到假想源點的距離平方成反比。常見的射流多為 uH＝0 的無固壁約束的淹沒或自由射流（如從水龍頭流出的水流和從汽笛沖出的蒸汽流），在距噴口很多倍直徑處，其流向幾乎不變。利用高速水流，可以采煤和鉆探；利用高速高溫的聚能燃?xì)饬?，可燒穿裝甲 。有固壁約束的射流具有附壁效應(yīng)，從而可用以制造各種用于自動控制的射流元件。

圖1 射流速度分布

　　射流貼附在固體壁面上流動的現(xiàn)象稱為附壁效應(yīng)。當(dāng)射流從噴口E-E流出并進(jìn)入腔室后（圖2），若腔室邊壁AB、CD距噴口足夠近，且端部至噴口的距離s1、s2不等（設(shè)s1＞s2），則射流兩側(cè)在同一時間內(nèi)受卷吸作用影響的環(huán)境介質(zhì)質(zhì)量不等，右側(cè)質(zhì)量多于左側(cè)。由于射流通過邊界上的湍流摻混作用傳遞給兩側(cè)環(huán)境的能量基本相等，所以右側(cè)卷吸速度較慢，左側(cè)較快，從而左側(cè)壓力較小，射流向左偏轉(zhuǎn)。此后，左側(cè)卷吸速度更快，壓力更低，射流繼續(xù)左偏，直到完全貼附在壁面上形成穩(wěn)定流動為止 。只當(dāng)射流兩側(cè)存在壓力差Δp＝p1－p2時 ，射流才能附壁 。若改變Δp的符號和大小 ，即可改變附壁的方向，謂之射流的切換。在腔室進(jìn)口兩邊壁上開孔，向低壓區(qū)補充流體，當(dāng)控制壓力p0足夠大時，即可切換射流。據(jù)此，可制成各種射流元件，用于自動控制系統(tǒng)。

圖2 附壁效應(yīng)

1.噴射成束的流體。