自由射流

當射流噴出管嘴後，由於氣體質點的擴散和分子的黏性作用，氣體質點把動量通過碰撞傳給了周圍靜止的介質，帶動了介質一起運動。氣體剛流出時只有x方向的速度，流入空間後由於動量的傳輸，流股逐漸擴大，成為三維的空間流動。因為被帶動的介質質點參加到射流中來，並向射流中心擴散，這樣沿運動方向上射流截面不斷擴張，流量不斷加大，速度隨之降低。所以自由射流的噴出介質與周圍介質同時進行着動量交換和質量交換，也就是兩種介質的混合過程。

自由射流沿長度方向的動量不變，這表示噴出介質的質點在與周圍介質碰撞以後，雖然造成動量的減小，但被碰撞質點卻得到了動量而運動，所以二者動量的總和保持不變。至於動能的減少時由於運動快的氣體與被帶動起來的運動較慢的介質之間因碰撞而造成動能的損失，損失的動能轉變成了熱量。 ^[1] 

流體經小孔、縫隙或管子等的引導，射入較大流體空間的流動現象。這是化工生產中常見的流動型式，如煙氣經煙囱排入大氣就是射流。射流進入靜止的與之互溶的流體中，這種射流稱為自由射流，是射流最簡單的情況。實際應用的射流比較複雜，當週圍流體也是運動流體時，稱周圍流體為外流體。若外流體與射流流體作同向運動，則稱為伴隨射流：兩者反方向時，稱為逆流射流；互成一定角度時，稱為傾斜射流；射流與周圍流體密度不同時，稱為異密度射流；射流沿着空間壁面發展時,稱為固壁射流；射流路程上存在某種障礙物時,稱為撞擊射流；射流中夾帶微粒時，稱為兩相射流等。

流體以一定速度自孔口流出，進入周圍與之相同的流體（密度、粘度及温度都相同）中時，除非流出速度很低，通常經過很短的距離後，即變成完全的湍流。由於湍流脈動，射流與靜止流體相摻混，周圍流體被射流流體夾帶，這種現象稱為卷吸。由於周圍流體的捲入，射流寬度擴展,速度減慢,但總動量保持不變。在相當一段距離內,射流經歷了從發展到消失的過程（圖1）。當液體射入氣體中,射流發生分裂,形成液滴。複雜射流與自由射流的共同特點是發生卷吸、截面擴張和中心速度衰減等現象。但也有不同的特徵，如錯流射流（外流與射流垂直）時射流截面從圓形發展成腎形，外流流體可能繞射流流體發生分離現象（見邊界層）等。

常見的燒嘴都是煤氣為中心射流，空氣為周圍射流，形成的同心射流，由於射流間的互相擴散，使煤氣與空氣混合。所以射流的互相作用對於燒嘴的設計與調節有實際意義。

當其他條件相同時，同心平行射流的混合速度最慢，火焰最長，為了改變混合條件，曾進行了大量實驗研究，總結成以下若干規律：

1、增加中心射流和外圍射流的相對速度，可以使混合速度增加，而與兩射流的絕對速度關係不大。

2、射流的直徑越小，則混合的速度越高。

3、兩射流存在一定的交角，則混合的強度增加。

4、在噴口安裝某種障礙物，可以使混合強度增加。 ^[1] 

欠膨脹自由射流是指當自由射流流出噴管出口時，其射流本身的靜壓高於周圍環境介質的靜壓（環境背壓）。這種情況下射流一旦流出噴管出口就將在周圍環境中發生膨脹，相對於其在噴管內的狀態來説，就稱之謂欠膨脹自由射流。而低度欠膨脹顧名思義就是指自由射流流出噴管出口時，其本身靜壓雖然大於周圍環境介質壓強，但又大得不太多。

過膨脹自由射流是指出口射流的靜壓低於周圍介質的靜壓的射流。而低度過膨脹的射流是指0.85< n<1的射流。

在設計工況下，周圍介質靜壓（噴管背壓）應與噴管出口射流的靜壓一致，此時，噴管出口射流既不發生膨脹作用也不發生壓縮作用，於是射流核心區內無波系存在，所以會有明顯的射流核心區存在。

勢流核心區（potential core region）：簡稱 PC 區，它起始於射流與周圍介質的動量交換邊界但還未發展至整個流場，在此區域內，其速度等於軸線速度且其速度特徵保持與噴管出口時一致。 ^[2] 

自由射流試驗主要用來進行衝壓發動機整體試驗，以及衝壓發動機和飛行器的一體化試驗。如果進行自由射流實驗時的氣流馬赫數、壓力就是飛行器飛行時所面臨的馬赫數、壓力，則成為全自由射流試驗；如果試驗所模擬的馬赫數、壓力不能完全模擬真實飛行時的條件，則成為半自由射流試驗。

比如，進行衝壓發動機試驗時，只能保證進氣道入口局部馬赫數、壓力，而不能模擬整個發動機的飛行條件，就稱為半自由射流試驗。再如，進行高超聲速飛行器的一體化試驗時，所模擬的狀態時飛行器前體激波後的參數，比真實飛行時的馬赫數要小，也成為半自由射流試驗。 ^[3] 

射流的應用相當廣泛，如噴氣推進、水力採煤等都利用射流作動力；自動控制中利用射流流體作開關元件；化工生產中利用射流的捲吸作用，促成不同組成、不同温度流體的混合。射流混合裝置的主要部分是帶有吸入室的兩個同心噴嘴。當流體流經第一噴嘴以高速射入吸入室時，就吸入外部流體併發生激烈混合。射流混合與常用的機械攪拌混合相比，可降低能耗且無轉動部件，特別適用於大容器內低粘度液體的混合。在工業生產中射流混合還有許多用途。如燃燒爐中藉助射流使燃料和空氣迅速混合，提高燃燒效率；在反應器中採用射流加料，可促使組分迅速達到分子級均勻，改善反應器的性能；在攪拌槽中可利用撞擊射流促進顆粒懸浮等。此外，還可以利用熱風經小孔或噴嘴直接吹向濕表面，以強化乾燥過程。