羽流

1、指道士。也作“羽客”。

2、英文為plume，又稱“縷流”，流體力學專業用語。

一個羽流的標準定義是“一柱流體在另一種流體中移動”（a column of one fluid moving through another，見英文維基）。這個定義包含了羽流，然而也包含不適宜稱為羽流的情況，比如噴泉噴出的水柱。 ^[1] 

羽流有四個要素：一、是含有動量的流體Flow 1；二、是不含動量的流體介質Flow 2；三、是Flow 1跟Flow 2在密度上差別不能太大，但同時二者還不能同質，以至於無法分清楚二者的邊界；四、是F1不受F2之外的阻擾——也就是説Flow 1完全是在Flow 2之中流動。

如，若Flow 1是液體，而Flow 2 是空氣，那麼就有前述的噴泉噴水，不會產生羽流現象，因為Flow 2對Flow 1的作用可以忽略不計，二者相互基本上不發生擴散；在水中吹氣，阻力太大，也不會發生羽流現象。

我們呼吸吹氣時不發生羽流，因為儘管我們呼出來的氣體跟空氣有化學成份上的區別，從物理特性上説，沒有太多差別，無法分清楚呼出氣流跟其介質空氣的邊界，所以也無法形成羽流。羽流是成形的，儘管最終會消融於介質中，邊界越來越模糊直至消失。如果我們吸煙，吐出來的煙氣流就與空氣不同質了，同介質空氣之間就有了邊界，就形成了羽流。

羽流在觀察期間有一個動力源，也就是説噴射出來的流體柱Flow 1需要有動量，如果這個動量消失了，羽流也就會很快消散解體。羽流的特點就是由於介質分子的阻擾，流體柱在向前流動過程中，會擴大，形成羽毛狀或者掃帚狀外觀。

從火箭發動機噴管噴射出來的羽毛狀的高速高温燃氣流。火箭羽流是一種氣體分子濃度大、電子密度和電子碰撞頻率都很高的弱等離子體。它與雷達微波之間會發生相互作用，使微波信號功率大為降低，影響導彈的制導。對於衞星和空間站，由於其表面上有敏感的光學電子元件，當姿控或軌控發動機工作時，羽流有可能撞擊表面板和儀表，造成粒子污染和表面及議表的老化，從而對衞星和空間站的控制造成不良影響，嚴重影響它們的工作壽命。因此，研究火箭發動機羽流場的參數分佈及其對衞星或空間站的各方面影響有非常重要的實際意義。由於真空環境很難進行實驗模擬，因而真空羽流場的實驗研究一直很難進行，僅有少數實驗研究報導。20世紀80年代以來開始用數值模擬方法研究羽流，對大氣層中羽流的研究已經取得了較大進展，但對超高空和真空羽流的數值模擬研究還有待完善。

火災科學是一門藴含着燃燒學、流體動力學、燃燒化學、傳熱傳質等多學科交叉的複雜科學。在火災科學研究中試驗研究是一種很重要的研究方法，是認識和解決理論問題和工程實踐問題的重要手段。

由於實際火羽流十分複雜，為了從理論上分析火羽流的基本特徵和參數之間的相互關係，首先要對實際火羽流進行簡化。理想羽流的基本假設如下：

（1）火源為一點源，羽流是從該點源出發的軸對稱射流；燃燒釋放的能量全部進入羽流區，忽略火焰對外界輻射所引起的能量損失；

（2）採用 Boussinesq 近似，假設密度在羽流運動區域內與環境密度相比變化較小，僅在ρ ρ∞（−）項出現時需考慮密度的差別，因此理想羽流理論有時又被稱為弱羽流理論，由此假設導出的方程只適用於遠場。

（3） 假設速度、温度和驅動力在任意高度均具有相似的分佈，即均為“帽狀”分佈，並進一步假設温度、速度和驅動力在任意高度r

（4） 羽流邊緣空氣卷吸速度與該處的垂直羽流速度成正比，即空氣卷吸速度可以表示為：v=α ⋅u，其中α是常數，在用於帽形分佈時通常取為 0.15。

對於理想火羽流模型，在其假設中採用Boussinesq近似，假設密度在羽流運動區域內與環境密度相比變化較小。這對於高原環境下，由於空氣密度較小，相對於平原環境更符合假設，而且高原環境下燃燒狀況較為平穩，所以高原羽流能更好的符合弱羽流理論。但是假設中提到空氣卷吸速度與該處的垂直羽流速度成正比，係數為α是一個常數，在用於帽形分佈時通常取為 0.15，該參數很難測得而且與實驗測量值相關，根據強羽流的實驗結果α約為 0.0964。在高原環境下由於壓力和空氣密度的不同，空氣卷吸因子α值與平原不同，需要在當地條件下進行實驗來驗證，不能用常壓條件下的係數值來代替。

對於 Heskestad 模型，基於常壓條件下的實驗，引入虛點源，温度和速度的分佈在羽流橫截面上為“高斯分佈”，更符合真實情況。而在本實驗中採用不同的油盤，油盤尺寸相對於高度不能忽略，需要考慮虛點源。模型假設中考慮熱輻射損失，對流部分一般佔火源總釋放速率的 0.6~0.8 倍之間，但在高原環境下，同樣燃燒速率下，熱輻射通量比平原地區要小，所以，此部分假設也需要在當地條件下進行實驗來驗證。

Mc Caffrey 公式中將羽流區劃分為三個區域，對於羽流中心温度和速度提出了相應的計算公式，但計算公式中未含環境壓力或空氣密度項，因此是否符合高原環境下的實際情況有很大的疑問。

上述經典羽流公式或基於模型簡化後從動量、能量方程開始進行理論推導，或基於大量實驗提出經驗公式，對於羽流質量流率、中心線温度同高度z和火源熱釋放速率Q成一定的指數關係，這些對於高原下羽流都有很大的借鑑作用。但由於壓力和空氣密度的不同，高原羽流特性參數能否很好的符合上述羽流公式，還需要進一步進行驗證。 ^[2] 

氣體流動的計算，可以從宏觀和微觀兩種方法進行建模。宏觀模型將氣體看作連續介質，用速度、密度、壓力、温度以及位置和時間等宏觀量建立流場信息的聯繫。流場中某一確定點的宏觀物理量被定義為該點附近一個極小區域內包含的分子對應的運動量的統計平均，Navier-Stokes方程給出了宏觀建模的傳統數學模型。微觀模型（又稱分子模型）把氣體看作由無數離散的分子組成，並提供每一個分子在所有時間的位置、速度以及狀態。分子水平的數學模型由Boltzmann方程描述，採用DSMC方法進行Boltzmann方程的數值求解，其物理概念和計算方法已經有一定的基礎。 ^[3] 

連續介質假設的有效性在於極小區域內包含足夠多數量的分子，從而使得宏觀統計量具有真實的物理意義。當宏觀流動出現急劇變化，表徵梯度變化的空間特徵尺度或時間特徵尺度與分子平均自由程或平均時間相當時，由連續介質假設推導出的數學模型不再成立。因此通常應用分子運動特徵尺度與流動特徵尺度的比值，即克努森數（Knudsen number, 簡寫為Kn）作為連續流動描述是否適用的判斷準則。

流體的性質及流動狀態決定着CFD計算模型和計算方法的選擇，決定着流場各物理量的最終分佈結果。流體的粘性、熱傳導和擴散等宏觀屬性是分子運動性質的統計平均。由於分子的不規則運動，在各層流體間交換着質量、動量和能量，使不同流體層內的平均物理量均勻化，這種性質稱為分子運動的輸運性質。

運動的流體內部會發生相對運動，流體所具有的抵抗層與層間相對滑動的性質稱作粘性，由於這種相對運動引起的內摩擦剪切力稱為粘性應力τ。粘性的大小依賴於流體的性質，並顯著地隨温度而變化。粘性應力的大小與粘性及相對速度成正比。粘性流體分為牛頓流體和非牛頓流體，沒有粘性的理想流體是不存在的，只是粘性流體在特定條件下的一種近似模型。在軌發動機工作環境是真空條件，流量小，邊界層較厚，噴管壁面產生的粘性效應不能忽略。

假設發動機燃燒室圓柱端末端已經燃盡，收斂段的壓力和温度穩定，而且成分均勻，可以視作熱完全氣體。由於噴管的軸對稱幾何形狀，噴管的室前氣體流動狀態穩定，所以管內氣體流動服從軸對稱的特點。壓力、温度和速度等參數在通過軸線的每個平面內有相同的分佈規律，可以用二維軸對稱計算模型準確描述管內氣體的流動特徵。 ^[4]