1.紊动射流的形成,卷吸与混合作用
设流体从一狭长的矩形孔口或缝隙射出,射流下游为无限空间同种静止液体。其过程描述如下。“卷吸”现象:射流初始速度为u0,与周围静止液体之间形成了速度不连续的间断面,它是不稳定的,必定会发生波动,并发展成旋涡,从而引起紊动。这样就会把原来周围处于静止状态的液体卷吸到射流里去,这就是所谓的“卷吸”。由于紊动发展,被卷吸并与射流一起运动的液体不断增多,相应产生了对射流的阻力,使射流的边缘部分流速降低,不可能保持原来的初始流速。射流与周围液体的掺混从边缘地区逐渐向中心发展,经过一定距离发展到射流中心,从此以后射流的全断面上都发展为紊流。卷吸与混合作用的结果,射流断面不断扩大,流速则不断降低,流程沿程增加。
2.紊动射流的分区结构
中心部分未受掺混影响,仍保持原出口流速u0的区域称为核心区。从喷口边界开始向内外扩展的掺混区称为紊流边界层混合区。在混合区中形成一定的流速梯度,出现剪切应力,故也称剪切层。从出口至核心区末端之间的这一段称为射流的初始段或发展段。紊流充分发展以后的射流称为主体段或基本段。在主体段与起始段之间有一个很短的过渡段,过渡段较短,常常忽略,只将射流分为起始段和主体段。如图6-1所示。
图6-1 紊动射流的分区
3.纵向流速分布的相似性
前人的大量分析和实验表明,在射流的主体段,各断面的纵向流速分布有明显的相似性。
图6-2 平面射流主体段的流速分布(www.xing528.com)
图6-2(a)为平面紊动自由射流中不同断面流速分布图,各个断面流速分布显示出相似性质,中心轴上流速最大,距中心愈远流速愈小。若将流速u和断面上横向坐标y分别以无量纲坐标来表示,则所有断面上无量纲流速分布均落在同一条曲线上如(b)所示。u表示任意断面上距中心线为y处流速,um为该断面中心点上流速,b′为特征半厚度,这里选取它等于断面上流速为的地方距中心轴的距离,因为射流的半厚度b在实验中不易精确测定,所以用b′来表示。
前人的研究还表明,在流动环境中的射流,断面流速分布也具有相似性。
4.射流的紊流边界层混合区的混合层厚度随距离发展呈线性增加
若将主体段射流的上、下边界线延长,交汇于O点,O点称为射流的“源点”,根据厚度线性增长的规律,则有
式中θ为射流边界线与中心线夹角。初始段边界的发展亦为直线,但扩散角与主体段不同。
射流的边界为直线扩展,这仅仅是宏观的概念。由于紊动作用在边界面附近表现得很激烈,从实验观察到边界线不是一条光滑笔直的直线,而是锯齿形线。
5.自由紊动射流中的动水压强服从静水压强分布规律
这一特性带有假定性质,但误差不大。根据这一特性,射流中压强沿x方向(与重力垂直方向)没有变化,即,既然在x方向没有压差存在,在x方向必定保持动量守恒。按动量定律可得沿射流各断面动量通量守恒的结论,按照单位宽度考虑,这个关系可以写成。
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