1.射流与射流动力学的基本概念
射流动力学是研究喷射流体在各种边界条件（含自由边界）下流动规律的学科，是流体力学的一个分支。
水从消防水龙头射出、空气从打气筒中冲出、针剂从注射器的针头中压出，以及喷灌农田的水从喷头中射出等，这种形式的流体流动统称为“射流”。它们与流体的一般流动的不同之处在于它们具有喷射成一束的流动特点。
《理论流体动力学》（L.M.米尔思－汤姆森著）一书对射流的描述如下：忽略外力，并假设作二维运动的液体以自由流线u1、u2（图3.12）为界，这些流线将流动平面分成A、B、C 3个区域，运动的液体占据区域B。如果A、C区域中没有液体，B区域中的流动则为射流。同理，对气体射流而言，则是在A、C区域中可以有静止的或异速流动的气体。
因此，射流的一般定义如下：在孔口、管口、喷嘴和缝隙等出路中，靠压差或外力推动而流出的流体、气体和粉末等流动介质且喷射成束的流动形态。
射流流出后不受固体边界的限制，而在某一空间中自由扩张的喷射流动称为自由射流。严格地说，当环境空间中的介质温度、密度与射流介质的温度、密度相同时，才能称为自由射流。而当空间介质静止不动时，该射流称为自由淹没射流；当空间介质非静止时，则称为自由伴随流射流。不过，在工程实践中，只要射流喷向自由空间即可按自由射流处理，并不严格要求空间介质与射流介质的温度、密度完全相同。
图3.12 射流的界定
（a）无限延伸型；（b）封闭型（ψ为流函数，α为流动速度）
以牛顿运动定律为基本原理（主要指动量定律），研究射流运动规律的学科称为射流动力学。它包括各种射流在各种介质中运动的动力学问题，也包括射流与物体之间相互作用的动力学问题。
2.射流的形成条件
图3.13所示是一个敞开式水箱的小孔出流，该出流就是一股射流。在孔口直径一定的情况下，其出流速度和射程（水喷射的远度）的大小均取决于箱内水面高度与孔口高度之间所形成的压差［即Δp＝rΔH＝r（H－h），r为水的单位体积重量］。
图3.14所示是一个密闭充压水箱的小孔出流，当小孔的直径一定时，其出流速度与射程的大小均取决于充气压强与孔口外侧大气压强之差加上水柱高度h所形成的压强［即Δp＝（p1－p2）＋rh］。
图3.13 敞开式水箱的小孔出流
图3.14 密闭充压水箱的小孔出流
图3.15所示是收缩喷管和拉瓦尔喷管两种火箭发动机喷管的燃气射流。火箭发动机的排气速度是发动机性能的一个重要参数，不管是哪种型式的发动机，其排气速度的大小，除装药的火药力RT0外，均取决于喷管出口燃气压强与燃烧室压强之比（通常称为喷管的膨胀比）。膨胀比越小，排气速度越大，即意味着燃烧室压强与喷管出口燃气压强之差越大。
图3.15 火箭发动机喷管的燃气射流
（a）收缩喷管；（b）拉瓦尔喷管
综上所述，可以总结出，形成射流的条件有两个：一为压差；一为通道（含通口）。
3.射流的流动特点
图3.16所示为亚声速二维自由淹没射流的流动结构，除了它的流动结构参数可从图上直接看出外，从图中还可看出由喷口b0喷出的射流，其外边界一直在不断地扩张，而几个典型截面上的速度分布（其实还有其他参数如温度、动压等气流参数）都有一种类似正态分布曲线的分布规律；再有就是所有速度矢量都平行于x轴，而无横向分速。
于是，可以把射流的流动特点总结如下。
1）边界层的出现及发展
实际射流的流动总是伴有这样或那样的边界层而发展的，毫无例外。这是因为凡是流体都是有黏性的，而黏性的存在又总会使射流流层之间（包括流层与静止层之间）发生黏连作用。此外，射流流动可以是层流，也可以是紊流，或二者兼有。但大多数实际射流都是紊流流动，而保持层流或形成紊流的关键点是临界雷诺数。层流射流的流层间，通过分子间动量交换、热量交换或质量交换而形成具有一定厚度的层流射流边界层。紊流射流中充满涡旋，它们在流动中呈不规则的运动，于是会引发射流流体微团间的横向动量交换、热量交换或质量交换，从而形成紊流射流边界层。综上所述，射流流动都伴有其边界层的出现和发展。
图3.16 亚声速二维自由淹没射流的流动结构
2）全流场或局部流场气流参数分布的自模性
射流在其流动的进程中，不同截面上的气流参数分布彼此间保持一种相仿的关系，这种关系叫射流的自模性。对亚声速射流而言，整个流场都具有这种性质；对超声速射流而言，在流场的亚声速段以及在超声速段中的局部流区也都存在这种自模性。自模性的出现可溯源于射流主流与周围介质的掺混呈线性渐进性，而且在射流各截面上，射流主流与周围介质的混合长度沿射流宽度保持不变，但该长度与射流宽度成正比。其结果所反映出来的就是边界层的外边界及其初始段上的内边界一般都是斜直线，而参数在横截面上的分布彼此间呈无因次相似。
3）流场中横向分速被忽略
由于射流的喷射成束的特性，流场中的轴向分速要比横向分速大得多，所以射流分析计算中，一般都将流场中的横向分速忽略掉，亦即射流的轴向速度被视为射流的总速度。
4.工程中的射流现象(www.xing528.com)
射流在工程中的出现和应用是非常广泛，如农田喷灌水射流、消防喷枪水射流、石油化工喷射泵（蒸汽的、液体的、气体的等）射流、航空航天器发动机喷气射流等。
工程中的各种射流都是带有一定能量的，有的甚至带有非常巨大的能量，如大推力运载火箭的发动机射流。这些能量有的被白白放弃，有的被完全利用，也有的只被利用了一部分，情况各异。但也有共同的方面，那就是凡是射流被射出，它们都同时产生与其所获作用力相等的反作用力，只是人们对这两种力的利用侧重点不同。此外，绝大多数射流，随着其产生都伴有分贝数较高或很高的射流噪声。这就是说，射流在被利用的同时，还会造成一定的环境污染，如果是髙温射流，还有可能对周围的环境设备造成一定的热损、热蚀，所以有时要在利用射流的地方进行声防护和热防护措施。
如果按射流本身所负有的功能使命来看，大致可以分成下列几个大类的射流。
1）用来产生推力的喷气射流
在航空航天技术领域，大量使用火箭发动机、涡轮喷气发动机、冲压喷气发动机等反作用式喷气发动机。这些发动机所喷出的射流，从力学的观点来看，都是作为一种受力体而被使用的，当它们流出喷口以前，先是燃烧，受压缩而后膨胀，在整个过程中，一方面它作为受力载体把发动机燃烧室里加给它的力承受下来，形成了它的运动，另一方面它又把它所承受的力即时地反作用于施力体，于是就产生了推力，而它却在完成了产生推力的任务后，带着剩余的一部分能量（包括热能和动能等）从喷口跑到大气中自然地消失了，绝大多数情况下都是如此。有时它还会给周围的环境设备造成危害。
这一类射流，除出现在上述各种喷气发动机中外，尚可见于各种小型用来产生反作用力的动力装置中，如太空人行走装置，如图3.17所示。这种装置系缚于人体的适当部位，借助操纵阀按要求使充储于装置内部的压缩气从相应喷口喷出时产生反作用力，在它们不同的配喷下就可产生空间6个自由度的操纵力（3个轴向力和3个轴向力矩），于是太空人就可以在太空中行走自如了。
图3.17 太空人行走装置
此外，在日常生活中，用喷气反作用力产生直线或旋转运动的装置或儿童玩具也很常见。
2）用来产生前作动力的喷射流
在采煤工业生产中有一种剥离煤层的方法用到高压水射流；在许多机械工业生产中，有一种清除油污碎屑的方法用到高压喷射流（空气的或水混合液的等）；还有农田喷灌水射流，消防水射流，气焊、气割喷射流，冶金工业生产中的氧气顶（底）吹射流等。从力学、热学的观点来看，这些射流都是作为一种施力、施热载体而被使用的。它们在高压室内所承受的压力经管道、喷嘴（口）以较高的速度喷射出去，有的则需点燃，然后或近或远地完成以上所列的各种工作。这些射流本身都是一些工作介质。虽然在喷射的同时，它们也给喷射装置以反作用力，但这与前述欲获得推力的目的不同，在那里射流本身是无用的，而在这里却都是为了获得工作射流。
3）作为引射工作介质的引射流
前述喷气发动机的喷气射流，在流出喷口后就被废弃了。但在许多高性能飞机的喷气发动机上，已广泛采用了引射喷管。它是利用喷气流作为引射流，外部加装引射套管而构成的。这种喷管由于主流（喷气射流）的引射作用带动一环次流从主流气柱与引射套管之间流过。次流对主流起气垫作用，约束主流的膨胀。通过调节次流流量可以控制主流的流通截面积，使其达到或接近完全膨胀，借以提高总推力，其增益可高达15%。
其他如工业流体机械中作为无动力机械的气体增压装置引射器，也是用引射流的引射作用构设成的；航空工业中应用的引射风洞也是如此。这种引射流如果从力学的观点来看，既不同于在产生推力后被排放的喷气射流，也不同于完全用来产生前作动力的喷射流，它将部分能量传递给周围的流体介质，从而获得某种效能。
还有，在现代飞机的增升装置中，有一种吹（喷）气襟翼，如图3.18所示。飞机在起飞和降落时，为缩短滑跑距离装有襟翼，以达到在低速下增加升力的目的。但襟翼的放下有可能引发机翼尾部的气流分离，而吹（喷）气襟翼利用吹气流的引射卷吸作用，可避免气流发生分离。
再有，如通风机、吸尘器、石油工业中用的混合引射器等，都可以用引射流完成其功能。引射器的结构原理示意如图3.19所示。
4）液体燃料雾（膜）化射流
在热动力机械中，液体燃料的雾化一般都是将液体燃料高压通过喷嘴而形成雾化射流，而且一般都是旋转射流。雾化燃料与氧化介质掺混后可燃烧得较为完全。这种雾化射流需要根据特殊要求设计出各型喷嘴才能形成。一种离心式喷嘴示意及其形成的喷雾如图3.20所示。
图3.18 飞机的增升装置中的吹（喷）气襟翼
（a）在飞机上的布置；（b）原理示意
图3.19 引射器的结构原理示意
图3.20 离心式喷嘴示意及其形成的喷雾
5）附壁射流
在射流控制技术中，当气（液）射流从射流元（器）件的喷嘴喷出时，若喷嘴两侧的壁板对称设置，则可形成附壁于两侧壁的射流，如图3.21（a）所示；如果侧壁不对称，哪怕是微小的不对称，都会形成附壁于单侧壁的射流，如图3.21（b）所示。它们统称为附壁射流。
射流技术正是利用射流的附壁效应及其切换（控制射流流动的方向，按规定要求改变射流贴附侧壁叫作射流的切换）技术制成各种产生控制信号的射流控制元件和射流阀，再由它们做成各种控制系统。
图3.21 附壁射流
（a）两侧附壁射流；（b）单侧附壁射流
在热力机械中，某些高温零部件有时采用低温薄膜冷却方式，这时需要从被冷却零部件的壁面上沿斜切方向开孔，并从该孔向外喷射冷却液，冷却液在其周围流动工质的作用下，涂敷于零部件表面而完成其冷却作用，以保护零部件的表面免受热荷载或热冲击损伤。
本小节介绍了工程中很多形态的射流现象，目的是说明射流这一物质运动形态有很多实际工程应用价值，同时也说明射流的运动形式多种多样，它的动力学的研究内容是相当丰富的。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
