射流技术

一项自动控制技术

射流技术（fluidics）一项自动控制技术。在压力作用下从喷嘴喷射出来的气流或液流称为射流。利用射流中的某些物理现象例如卷吸现象、附壁效应等做成不同功能的射流元件，和辅件组成控制线路，使射流的方向改变，可以达到自动控制的目的，例如自动切换、时间程序控制、行程程序控制等。该项技术可用于汽车的主动减阻，干扰涡流形成。

词解

拼音:sheliujishu

优点是：（1）结构简单，操作安全，成本低，见效快；（2）不受各种辐射、电磁波的影响，并具有抗腐蚀、抗震、抗爆和耐高低温等特点，适于在各种环境下应用；（3）射流元件可以做得很小，并和电子技术一样可以实现集成化。缺点主要是：反应动作比电子元件迟钝，且不能遥控。广泛应用于化工、石油、机械、电力、冶金、纺织、船舶、仪表和国防等工业方面。

应用

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。

计算方式

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。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、尌为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

。

理论分析

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。其主要结果如下：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；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。

分析方法

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～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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射流类型

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。

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。

研究对象

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。

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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其他信息

沿切向间断面两侧流动的物质流(液、气或固体粉末流)。从喷口E-E以速度u0喷出的直匀气流（主流）与喷口外以速度uH（uH＜u0）流动的直匀气流（次流）的交界面是一个切向间断面，该面两侧气流方向相同但流速不同。切向间断面是不稳定的，通过边界上活跃的湍流掺混作用把次流中的气体卷进主流，从而形成一个速度连续变化的射流边界层（EBF及其下游），其中外边界EB上的流速为uH ；内边界EF上的流速为u0。内边界以内气流未受扰动的区域称为势流核心区（EFE）。有核心流的区域称为射流的初始段；其下游一定距离后，射流中速度分布类似于源流（曲线a-a）的区域称为主体段，其外边界延长线（虚线）的交点P即为假想的源点；主体段与初始段之间的区域称为射流的过渡段。就平面射流而言，在主体段内，射流宽度与到假想源点的距离成正比；射流速度分布为u/um=（1－η3/2）2，η=y/b；射流轴线上最大速度um与到假想源点的距离平方成反比。常见的射流多为 uH=0 的无固壁约束的淹没或自由射流（如从水龙头流出的水流和从汽笛冲出的蒸汽流），在距喷口很多倍直径处，其流向几乎不变。利用高速水流，可以采煤和钻探；利用高速高温的聚能燃气流，可烧穿装甲。有固壁约束的射流具有附壁效应，从而可用以制造各种用于自动控制的射流元件。

射流贴附在固体壁面上流动的现象称为附壁效应。当射流从喷口E-E流出并进入腔室后若腔室边壁AB、CD距喷口足够近，且端部至喷口的距离s1、s2不等（设s1＞s2），则射流两侧在同一时间内受卷吸作用影响的环境介质质量不等，右侧质量多于左侧。由于射流通过边界上的湍流掺混作用传递给两侧环境的能量基本相等，所以右侧卷吸速度较慢，左侧较快，从而左侧压力较小，射流向左偏转。此后，左侧卷吸速度更快，压力更低，射流继续左偏，直到完全贴附在壁面上形成稳定流动为止。只当射流两侧存在压力差Δp=p1－p2时，射流才能附壁。若改变Δp的符号和大小，即可改变附壁的方向，谓之射流的切换。在腔室进口两边壁上开孔，向低压区补充流体，当控制压力p0足够大时，即可切换射流。据此，可制成各种射流元件，用于自动控制系统。

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