射流

流体从管口、孔口、狭缝射出或靠机械推动并同周围流体掺混的一股流体流动

射流（jet），指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股流体流动。经常遇到的大雷诺数射流一般是无固壁约束的自由湍流。这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来而不断扩大，并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。

射流理论

距射流源足够远处，湍性射流可以用边界层理论进行分析。下面以不可压缩流体的平面湍性射流（见图）为例来说明，并设周围流体处于静止状态。纵向平均速度ū(x,y)不等于零的射流区是以中心线为界的上下两个“边界层”的组合。图中虚线是通常边界层理论意义下的边界。在整个射流区内压力几乎不变。因此，对于定常平面湍性射流，以下湍流边界层方程组（见湍流理论）近似成立。

式中ū、vˉ为x、y方向的平均速度；ρ为流体密度；τ为湍流剪应力。为求解以上方程组，首先必须写出湍流剪应力表达式。根据涡粘性假设

式中ετ为涡粘性系数，它是湍流的一个重要特征参数。此系数可用L.普朗特提出的混合长l表示，即

并假定混合长沿射流宽度保持不变,且l(x)～b(x)，这里b(x)为射流宽度的一半。为了简化分析，进一步假定射流各横截面上的速度分布具有相似性，即

根据以上方程和假定，H.赖夏特等对不可压缩流体的平面湍性射流进行了完整的理论分析，求得与实验相吻合的结果。其主要结果

①射流宽度同到射流源的距离成正比，即平面湍性射流的边界是一条从射流源发出的直线，如果忽略雷诺数的影响,此射流大约以13°半角向后扩张；②射流速度分布为ū/ūmnx=sech2(y/b)；③射流中心线上最大速度同到射流源的距离的平方根成反比，因此，随着此距离增大，射流最大速度越来越小。

轴对称湍性射流的分析方法同平面湍性射流类似。不同的是，基本方程必须采用轴对称边界层方程，而且在结果中ūmnx～x-1,即射流中心线上最大速度比平面射流衰减得更快。

上面仅讨论了不可压缩流体的常压自由射流。各种工程技术中遇到的射流要比这种射流复杂。因此，根据具体情况，还应当考虑射流的旋转效应和三维效应、有压力梯度的约束射流、超声速（有波系的）射流、温度分布以及燃烧和相变，等等。此外，高速气体射流会伴生相当强的气动噪声，也必须加以考虑。

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水射流或液体射流

分析

液体从喷管或孔口中喷出,脱离固体边界的约束,在液体或气体中作扩散流动，称为射流。射流一般为紊流流型，具有紊动扩散作用，能进行动量、热量和质量传递，应用于水力发电、消防水枪、农田喷灌、污染扩散、人工喷泉、水力采矿、土石方冲挖等。

不淹没射流流入气体中的液体射流，称为不淹没射流。大气中的水射流由于紊动掺气，沿射流方向，依次分为紧密部分、破裂部分和分散部分（图1）。

水竖直射流所能达到的高度He小于喷口的总水头H，两者之间的关系用下列公式表示

He=H/(1+ΨH)；Ψ=0.00025/(b+1000b3)式中 b为喷口直径。射流紧密部分高度Hd可按下式求出

Hd=βHe 。β根据试验决定,随He的增大而减少，当He在7～30米之间时，β约在0.84～0.72之间。

淹没射流流入相同介质中的液体射流，称为淹没射流。淹没射流与周围静止介质发生动量和质量交换，卷吸附近介质随射流一同流动,流量不断增加,流速不断减小和均化，横断面不断扩大。淹没射流可分为两个部分。保持射流出口流速v0不变的部分,称为射流核心。因卷吸与掺混作用流速小于v0的部分，即射流核心与静止液体之间的部分，称为射流边界层。沿射流方向从出口断面至射流核心开始消失的所谓过渡断面，称为射流初始段；过渡断面以后的部分，称为射流主体段。

主体段的性质

无限空间淹没射流的主要研究对象是主体段，它有下列性质：

①几何方面。射流呈直线扩散，射流出口附近存在着扩散中心o,称为极点。圆断面射流极点与出口断面距离为1.2y0，y0为出口半径（图2）。

②运动方面。主体段中任意断面上相对流速vx/vm在相对坐标y/x上的分布为不变,其中vx为断面上坐标y1的x向分速。vm为同断面的轴心x向分速。x1为断面到极点的距离。圆断面射流的相对速度公式为

③动力方面。射流空间压强不变，各断面动量、通量相等，由此可得圆断面射流轴心流速公式为

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气体射流

简介

气体射流，也叫气体紊动射流。

分析

流体射入静止环境中时，它与周围静止流体之间存在速度不等的间断面，间断面一般受到不可避免的干扰，失去稳定而产生涡旋，卷吸周围流体进入射流，同时不断移动、变形、分裂产生紊动，其影响逐渐向内外两侧发展形成自由紊动的混合层。由于动量的横向传递，卷入的流体获得动量而随原射流向前流动，原来的流体动量减小而失去速度，形成一定的速度梯度。卷吸和掺混的结果，射流断面不断扩大，而流速则不断降低，流量沿程增加。

图2-1 等密度射流速度场

射流运动一般都要受初始动量的影响或受浮力的作用，纯射流和卷流是射流的两种极端情况。如果环境流体的密度是处处相同的，那么射流就是均匀环境射流。若环境流体密度沿铅直分布是不均匀的，浮射流就是分层环境力射流。环境流体密度与泄漏的天然气密度相等时的均匀环境射流过程，如图2-1所示。直线OB、OC为射流的外部边界，交点O为射流的极点在射流边界上，前进的运动速度为零。射流向周围环境空气分子微团扩散的边界AD、ED也是直线。在ADE区域内，纯天然气速度等于孔口泄漏速度，称为射流核心区。射流外部边界的夹角称为射流张角。射流核心区边界的夹角：为射流核心收缩角。经过D点的射流横截面FG称为过渡截面。在此截面以前，射流轴心速度Wm保持不变，并等于起始速度W0，而其后轴心速度逐渐减小。断面平均速度W随S增大而减小。过渡截面之前称为起始段，其后称为基本段。紊流自由射流的起始段长度S0及极点深度h0都与孔口半径r有关。

当环境空气的温度和密度与泄漏的天然气不同时，可看作非等密度射流。非等密度射流的轨迹比较复杂，这时重力差使射流弯曲。泄漏燃气的密度大于环境空气的密度，射流一般向下弯曲，反之则向上弯曲。如果射流垂直向上出，那么重力差只是稍微改变射流的张角及核心收缩角，并不使截面上速度分布失真，也不使射流弯曲，在这种情况下，如果泄漏的气流密度大于周围空气的密度，则张角及收缩角增大，反之则角度减小。

天然气发生管道孔口或裂缝泄漏时，虽然孔口或裂缝比较小，泄漏量也比较小，但泄漏速度极大，所以在孔口或裂缝形成紊流自由射流。根据燃气泄漏的具体情况，假定受纳流体在射流流入之前处于静止状态，天然气泄漏过程可看成静止环境中的射流；若受纳流体所占的空间是无限的，天然气泄漏过程可看成自由射流；若天然气密度与受纳流体密度不同，天然气泄漏过程可以简化为紊动变密度射流。在流体力学的研究和实际的计算过程中，若把流体看作不可压缩流体，显著地简化了理论分析和数值计算，并在大多数问题的研究中具有足够的精度。在低速气流中（一般小于50m/s），当压强变化不大时，通常可以忽略可压缩性的影响，按不可压缩流体处理，其结果也是有足够精确的。

综述

总之，根据影响射流运动规律的各种因素，又可将射流组合成许多类型。当天然气通过管道孔口或裂缝泄漏到环境中去，可以进一步看成是无限静止环境变密度射流。

参考文献

词条作者：晏名文《中国大百科全书》74卷（第一版）力学词条：流体力学中国大百科全书出版社，1987 ：418-419页

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