自由射流

不受边壁限制的射流

自由射流，是指不受边壁限制的射流。气体由管嘴喷射到一个无限大的空间内，该空间充满了静止的，并与喷入气流物理性质相同的介质，这种射流叫自由射流。

原理

当射流喷出管嘴后，由于气体质点的扩散和分子的黏性作用，气体质点把动量通过碰撞传给了周围静止的介质，带动了介质一起运动。气体刚流出时只有x方向的速度，流入空间后由于动量的传输，流股逐渐扩大，成为三维的空间流动。因为被带动的介质质点参加到射流中来，并向射流中心扩散，这样沿运动方向上射流截面不断扩张，流量不断加大，速度随之降低。所以自由射流的喷出介质与周围介质同时进行着动量交换和质量交换，也就是两种介质的混合过程。

自由射流沿长度方向的动量不变，这表示喷出介质的质点在与周围介质碰撞以后，虽然造成动量的减小，但被碰撞质点却得到了动量而运动，所以二者动量的总和保持不变。至于动能的减少时由于运动快的气体与被带动起来的运动较慢的介质之间因碰撞而造成动能的损失，损失的动能转变成了热量。

射流

流体经小孔、缝隙或管子等的引导，射入较大流体空间的流动现象。这是化工生产中常见的流动型式，如烟气经烟囱排入大气就是射流。射流进入静止的与之互溶的流体中，这种射流称为自由射流，是射流最简单的情况。实际应用的射流比较复杂，当周围流体也是运动流体时，称周围流体为外流体。若外流体与射流流体作同向运动，则称为伴随射流：两者反方向时，称为逆流射流；互成一定角度时，称为倾斜射流；射流与周围流体密度不同时，称为异密度射流；射流沿着空间壁面发展时,称为固壁射流；射流路程上存在某种障碍物时,称为撞击射流；射流中夹带微粒时，称为两相射流等。

特性

流体以一定速度自孔口流出，进入周围与之相同的流体（密度、粘度及温度都相同）中时，除非流出速度很低，通常经过很短的距离后，即变成完全的湍流。由于湍流脉动，射流与静止流体相掺混，周围流体被射流流体夹带，这种现象称为卷吸。由于周围流体的卷入，射流宽度扩展,速度减慢,但总动量保持不变。在相当一段距离内,射流经历了从发展到消失的过程（图1）。当液体射入气体中,射流发生分裂,形成液滴。复杂射流与自由射流的共同特点是发生卷吸、截面扩张和中心速度衰减等现象。但也有不同的特征，如错流射流（外流与射流垂直）时射流截面从圆形发展成肾形，外流流体可能绕射流流体发生分离现象（见边界层）等。

相互作用

常见的烧嘴都是煤气为中心射流，空气为周围射流，形成的同心射流，由于射流间的互相扩散，使煤气与空气混合。所以射流的互相作用对于烧嘴的设计与调节有实际意义。

当其他条件相同时，同心平行射流的混合速度最慢，火焰最长，为了改变混合条件，曾进行了大量实验研究，总结成以下若干规律：

1、增加中心射流和外围射流的相对速度，可以使混合速度增加，而与两射流的绝对速度关系不大。

2、射流的直径越小，则混合的速度越高。

3、两射流存在一定的交角，则混合的强度增加。

4、在喷口安装某种障碍物，可以使混合强度增加。

分类

低度欠膨胀自由射流

欠膨胀自由射流是指当自由射流流出喷管出口时，其射流本身的静压高于周围环境介质的静压（环境背压）。这种情况下射流一旦流出喷管出口就将在周围环境中发生膨胀，相对于其在喷管内的状态来说，就称之谓欠膨胀自由射流。而低度欠膨胀顾名思义就是指自由射流流出喷管出口时，其本身静压虽然大于周围环境介质压强，但又大得不太多。

低度过膨胀自由射流

过膨胀自由射流是指出口射流的静压低于周围介质的静压的射流。而低度过膨胀的射流是指0.85< n<1的射流。

完全膨胀自由射流

在设计工况下，周围介质静压（喷管背压）应与喷管出口射流的静压一致，此时，喷管出口射流既不发生膨胀作用也不发生压缩作用，于是射流核心区内无波系存在，所以会有明显的射流核心区存在。

超声速自由射流势流核心区

势流核心区（potential core region）：简称 PC 区，它起始于射流与周围介质的动量交换边界但还未发展至整个流场，在此区域内，其速度等于轴线速度且其速度特征保持与喷管出口时一致。

自由射流试验

自由射流试验主要用来进行冲压发动机整体试验，以及冲压发动机和飞行器的一体化试验。如果进行自由射流实验时的气流马赫数、压力就是飞行器飞行时所面临的马赫数、压力，则成为全自由射流试验；如果试验所模拟的马赫数、压力不能完全模拟真实飞行时的条件，则成为半自由射流试验。

比如，进行冲压发动机试验时，只能保证进气道入口局部马赫数、压力，而不能模拟整个发动机的飞行条件，就称为半自由射流试验。再如，进行高超声速飞行器的一体化试验时，所模拟的状态时飞行器前体激波后的参数，比真实飞行时的马赫数要小，也成为半自由射流试验。

应用

射流的应用相当广泛，如喷气推进、水力采煤等都利用射流作动力；自动控制中利用射流流体作开关元件；化工生产中利用射流的卷吸作用，促成不同组成、不同温度流体的混合。射流混合装置的主要部分是带有吸入室的两个同心喷嘴。当流体流经第一喷嘴以高速射入吸入室时，就吸入外部流体并发生激烈混合。射流混合与常用的机械搅拌混合相比，可降低能耗且无转动部件，特别适用于大容器内低粘度液体的混合。在工业生产中射流混合还有许多用途。如燃烧炉中借助射流使燃料和空气迅速混合，提高燃烧效率；在反应器中采用射流加料，可促使组分迅速达到分子级均匀，改善反应器的性能；在搅拌槽中可利用撞击射流促进颗粒悬浮等。此外，还可以利用热风经小孔或喷嘴直接吹向湿表面，以强化干燥过程。

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