武科大冶金传输原理课件05射流

2026/6/71第五章射流凡火焰炉均涉及到射流的问题。当流体由喷嘴喷射到一个足够大的空间时，流股由于脱离了原限制环境，而在空间中继续流动扩散，这种流动叫射流。这里主要讨论自由射流和限制射流。5.1自由射流形成的条件：

1周围的介质为静止介质，且物理性质与喷出的介质完全相同。

2流股在整个流动过程中不受任何液面或固体壁面的限制。2026/6/725.1.1自由射流的结构：射流的结构如图所示：始段主段（基本段）转折截面内边界射流核心外边界极点自由射流示意图V中V02026/6/73初段的射流的结构沿径向可分为外边界、内边界、射流边界层。外边界：射流流股与环境介质之间的界面。界面上的气体分子具有运动的趋势，速度为零。内边界：指喷出的气体的速度仍为喷出速度V0的的气体与已在运动着的、速度小于V0的气体的分界面。射流边界层：内边界和外边界之间的区域。

射流边界层是向两边扩展；一是向外扩展，引射更多的静止气体进入边界层；一是向内扩展，与保持速度为初始速度的区域（射流核心区）进行动量和质量的交换，使该区逐渐的减小。2026/6/74沿X方向可将射流分为两段：初始段和主段初始段：即射流中心速度仍为初始速度的区段，长度大约是喷管直径的6倍。（即射流核心区和射流边界层）主段：即中心速度逐渐减小的区域（射流边界层区）转折截面：由始段向主段转变的截面。其特点是只有中心一点的速度为初始速度。二.射流参数的变化2026/6/751压力P：由于射流介质喷出后便与环境相遇，故可认为射流流股的压力与环境相同，即在射流中的截面上的压力保持不变，在径向亦为不变。有的学者认为中心的压力低于四周的压力，即压力在径向是有差别的，但差别是很小的，从流体静力学可知，误差是很小的，可忽略不计。2动量mv

：随X的增加可知速度是减小的，如图，但流量是增加的，从理论上可推出单位时间的动量ρvAv=Const，即射流流股的动量不随X的变化而变化，是一常数。速度的减小由质量的增加而抵消。此即为自由射流的一个主要的特点。2026/6/765.1.2各流动参数沿射流的方向的变化规律中心速度动能压力流量X射流参数变化图动量2026/6/773动能1/2(mv²)

单位时间的动量为1/2(mvAv²),虽然质量是增加的，但不足以抵消动能的减小，故自由射流的动能随X的增加而减小，只要距离足够远，以至于降至为零。5.1.3自由射流截面上的速度分布VV/Vmr/r0.52026/6/78上图给出了轴对称射流主段不同截面上的速度分布曲线，图中可知，随x的增加，速度分布是变化的，距出口处越远，分布曲线越平坦。但同一半径上的速度v与中心速度vm的比值不变，即无因次速度与无因次坐标都是相同的。上图中的y0.5

为0.5vm

点的距离，图中黄线即为各条曲线（红线）按此画出的，说明射流主段中各截面的速度分布是相似的。5.1.4射流中心线上的流速

中心速度的计算可用下式：2026/6/79式中：a实验常数，0.07—0.08r0

管嘴断面半径

l离管口的距离

速度分布：

理论和实践证明，对于圆形截面速度分布为：初始段的速度分布2026/6/710y初始段中某一点距内边界的距离

b边界层的厚度流动介质中自由射流的速度分布：书上还给出了流量计算的近似式。射流宽度Yb

即外边界距中心的距离，理论上可以推知：

Yb=kxk为常数k=3.4a2026/6/711a:常数，其值与射流初始速度在截面上的分布情况有关。若速度分布均匀a=0.066。速度分布不太均匀，即中心速度超过了平均速度的10%

则a=0.07

若中心速度超过了平均速度的25%，则a=0.076

此外，a值还与射流初始时流体的紊流度有关。湍流强度越大，说明与介质的参混能力越强，a值也就越大，射流的扩展角越大，射流宽度越大。

2026/6/712上式说明射流宽度沿X方向是线性规律变化的，故射流的外边界是一条直线。关于轴对称的外边界是一圆锥面，锥点即为射流的极点。外边界与中心的夹角叫扩展角。有关参考书还介绍了流量、扩展角、浓度、温度等的计算式。2026/6/7135.2半限制空间射流

指沿固体表面的射流特点：射出后一侧紧贴壁面，另一侧则不受限制，且上下的速度分布是不对称的。其结构如图所示：自由湍流层Ⅲ湍流贴壁层Ⅱ层流底层Ⅰ2026/6/714据实验观测测定，结构如图可分为三部分：一是层流底层其运动受流体粘性的制约；二是湍流贴壁层，该层的边界可认为是在射流各截面上速度最大vm

的地方；湍流贴壁层外即为自由湍流层，特点是以射流各截面速度最大处为分界线该线以下为贴壁流动，即Ⅰ区和Ⅱ区（可作为）湍流边界层来考虑，自由湍流层Ⅲ可作为湍流自由射流来考虑。2026/6/715柯安达(Coanda)效应（附壁效应）：柯安达效应流体遇到不对称边界条件时偏向固体一侧流动的现象2026/6/716由于引射的作用，射流将卷吸周围的介质，对自由射流而言，射流的侧表面均能引射吸入周围的介质，介质从原来的不动到被卷入射流中去。对于贴壁射流而言，自由湍流层Ⅲ的情况与自由射流相同，但贴近壁面的Ⅰ区和Ⅱ区由于壁面的限制，周围的介质不能被卷吸进来，使得Ⅰ和Ⅱ区的速度梯度很大，动能的增加和摩擦力的作用，使静压下降，射流的上、下两侧的压力失去了平衡，在压差的作用下，使射流弯曲并贴向壁面。此即为贴壁效应。在其它的情况下也发生柯安达效应，如图：2026/6/717如图为两平行射流，由于两相邻射流的引射的相互作用，使两射流流股相互贴近直至汇合为一股射流。工程中采用多股射流时，必须注意相邻射流的相互影响，如氧气顶吹转炉用的氧枪的多孔喷头所产生的射流夹角比喷孔中心线夹角要小，这也属于柯安达效应。工程中采用多喷头时必须注意射流间的相互影响。平行射流的汇交2026/6/7185.3旋转射流具有轴向相、径向和切向速度的射流称为旋转射流X/d回流区边界轴向速度切向速度射流边界旋转射流的流场2026/6/719旋转射流各分速度及中心速度的变化规律0切向无因次速度