无反应的恒定密度层流射流
看清层流射流的速度场与展向规律,打通直观到燃烧理论的推导链路
按 空格/→ 演示下一步
全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放
无反应的恒定密度层流射流
看清层流射流的速度场与展向规律,打通直观到燃烧理论的推导链路
什么是射流
拧开水龙头,水从管口冲出来形成一股水流——这股水流就是最典型的「射流」。燃气灶的火焰、灭火喷淋、工厂的排气管,原理都一样。
嘴里气压高,空气冲出形成一股气流——能吹动远处烛焰,说明射流带着动量、能把力传出去
层流射流的特征
从上一页「什么是射流」我们知道,流体射出后总要向外铺开。但铺开的方式可以截然不同——当粘性力强到能「管住」每一层流体时,流动就呈现安静、有序、可预测的形态。这就是层流射流。
蜂蜜 μ 大、惯性小 → 粘性把流体「勒」住;你看得出丝里速度从中心到边缘平滑衰减,不会被卷成乱麻
射流结构示意图
沿射流轴向看四个空间区段:势流核心被剪切层包裹,剪切层抵达中心后进入自由混合区,最终向远场耗散。
连续性方程的建立
从质量守恒出发,一步步推导出射流在柱坐标下的连续性方程。
动量方程的建立
把三维瞬态的N-S方程,一层一层剥到只剩射流该有的样子。
关键假设与边界条件
上一页我们写出了动量方程的完整形式,但这张方程表要在特定前提下才成立,而且需要边界条件才能定解。这一页就来约定这套'游戏规则'。
管口给定流速(入口边界),远处水柱消散于空气(u→0)
速度剖面的相似性形式
速度分布如何随轴向距离保持几何相似
相似性变换引入
相似性变换四步走:把含两个变量的偏微分方程压缩成只含一个变量的常微分方程。
积分求解方法
跳过逐点求解N-S方程,用积分动量方程直接拿到射流的衰减规律。
自相似解的形式
上一页把方程化成了 f(η) 的常微分方程。现在代入求解——解会指向高斯函数。
中心是峰值,两侧对称指数衰减,形状一致
速度衰减与展宽规律
从自相似解出发,由动量通量守恒推出两条核心标度律。
燃料射流与空气的混合
上一页推导出射流速度沿程衰减、宽度沿程展宽——但这只是表象。真正的物理原因是卷吸:射流把周围静止空气「卷」了进来。燃气喷嘴下游正是靠这一机制,源源不断把氧气送进燃料流。
烟柱越往上越粗——烟把周围静止空气卷了进来;射流也一样,越往下游越宽
掺混与稀释射流
上一页看到射流越走越慢、越走越宽——但奇怪的是,它卷走的质量反而越来越多。秘密在于:射流把周围流体卷了进来。这就是掺混。
烟柱越走越粗,不是烟变多了,而是卷进了周围空气
两例对比:混合效率与射流参数
同样是层流射流,圆形与平面的衰减与掺混规律截然不同——差别源自几何对称性。
- 中心线速度 ∝ 1/x,衰减更快
- 半径展宽 ∝ x,线性扩张
- 卷吸量 ∝ x,三维卷吸更强
- 典型场景:圆孔/管嘴喷入
- 中心线速度 ∝ 1/√x,衰减更慢
- 半宽展宽 ∝ √x,扩张更缓
- 卷吸量 ∝ √x,混合相对较弱
- 典型场景:狭缝/二维槽口喷入
核心要点回顾
- ✓自相似变换把偏微分方程化为常微分方程
- ✓动量通量守恒决定速度沿程衰减率
- ✓射流半宽随轴向距离线性增长
- ✓燃料射流与空气的掺混在短距离内完成
- ✓边界条件与物性差异主导混合效率
自我检测
在远离喷口的无反应恒定密度层流射流中,中心线速度沿轴向距离 x 持续衰减。下列哪一项是这一现象的根本原因?
课后思考
先自己琢磨,再看参考答案——思考路径比结论本身更重要。
参考答案远离出口后,半宽度成为射流的唯一特征长度,各截面按半宽度归一化后形状相同——这是动量通量守恒与扩散方程的量纲约束共同决定的。
参考答案由自相似解可知:中心线速度按 1/x 衰减,半宽度按 x 线性增长。这两个尺度律与 U₀ 的数值无关——改变 U₀ 只是把整体做等比例缩放。
参考答案湍流中脉动产生额外雷诺应力,需引入湍流黏度,扩散机制从层流黏性主导转为湍流扩散主导;密度不同时动量方程出现密度差项,浮力还会改变射流形态。