水射流

原标题：水射流 - 流体力学基础知识

水的物理性质水是一种最常见的流体，在本文中所提及的射流也主要是指水射流。

水的主要物理性质包括：密度。即单位体积水所具有的质量。标准大气压、2 0℃常温下。（即标态下）纯水的密度为998kg/ m3黏性。指流体内部抗拒变形、阻碍流体运动的特性。衡量流体黏性大小的物理量是动力黏度77（N．S／I_I_12或Pa．s）和运动黏度u／(m2／s)两者关系为。标态下水的动力黏度7—1.005×10'-3 N．s,/m2 p压缩性。指在一定温度下，水的体积随着压强的升高而减小的特性。衡量压缩性大小的物理量是压缩率k，K——一压缩率m2／N；dv…一一体积的缩小量,m3；dp一一一压强的增加量，Pa v——一水的原有体积，m"。

水的压缩率很小，在不同压力下的值一般情况下可不考虑水的压缩性；在高压尤其是水切割机理念问题中，由于压力与常压相比变化值很大，因此必须意识到压缩性的影响。如当压力为200～300 m/IPa时，由式（2．一1）可计算出水的体积压缩量约为7%-9.4%描述流体运动的基本方程有连续性方程和运动方程。不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式在工程应用中，许多流动问题可近似看成一兀流动。所谓一元流动是指流动参数仅在一个方向一一卜有显著的变化，而在其他两个方向上的动的流体。这样，连续方流体流过1、2两个有效截面的面积；流体流过1.2两个有效截面时的平均流速描述理想流体（无黏性流体）的运动方程式是欧拉方程。伯努利对欧拉方程沿某一流线积分得到了理想流体的伯努利方程。

在实际工程中，遇到的常是黏性流体，黏性作用有时并不可忽略。而描述黏性流体运动的运动方程式是纳维一斯托克斯方程，简称N—S方程。对不可压黏性流体的N -.S方程，其在空间直角坐标系中的表达式为：ZE述方程(2-4)再加上连续性方程(2-2)，原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场的解。但由于N -S方程中出现了速度的二阶导数，它的普遍解在数学上还有困难，只对某些特殊情况使方程得到充分简化，才能求出近似解。

与伯努利沿流线对欧拉方程积分类似，对N -S方程积分，将积分时式中遇到的黏性阻力项用h:f表示，考虑重力场中的恒定流动，最后可得到黏性不可压缩流体运动的伯努利方程‘，即将上述沿流线的伯努利方程推广到沿总流上去，则可得到式中每一项的量纲是[I-实质项的单位为J／kg或N．m/'kg，即单位质量的能量。所以p／Ip表示单位质量的压强势能，u2／2表示单位质量的动能，gZ表示单位质量的位置势能，gh表示运动中由摩阻引起的单位质量的机械能变成热能而散逸的能量。式中系数a表示总流流过断面的实际动能与以平均速度计算的动能的比值，称为动能修正系数。它的值总是大于1，并与断面上的流速分布有关。流速分布越不均匀，a值越大；流速分布较均匀时，则a近似等于1 0s式各项角标1、2分别代表流体流过的两个截面。 在实际工程中，许多流动问题可简化为一元流动，这样即可直接利用(来求解。必须指出的是，在使用伯努利方程时，必须把计算截面选取在缓变流动上，而两截面间的流动并不一定是缓变流动。

孔口出流一定压力的流体从孔口流出即可形成射流。根据L口边缘形状和出流情况可将孔口出流分为薄壁孔口出流和厚壁孔口出流（或称短管出流）2.2.1射流结构射流是一种孔口或狭缝出流流动现象。工程所用水射流绝大多数是湍流流动，其实际结构和运动机理极其复杂，在流体力学理论分析上，其流动的基本图形是边界层流动1974本学者Yanaida和Ohashi首先用几何图形描述了水射流的特征图，后来经众多学者的试验与丰富，该特征成为的国际上水射流学术界公认的基于理论与实验的射流结构图在喷嘴出口处，射流的速度是均匀的，而射流一离开喷嘴就卷吸周围的介质，其与环境介质形成的边界层存在着极大的速度差，由此而产生一个垂直于射流轴心方向的力，该力与速度差成正比关系。

在这些力及射流内部湍流波动的作用下，其与环境介质发生的质量与动量交换，使射流表面出现波状分离。其构成及波长依赖于射流排出工况。射流流体与环境介质的质量及动量交换过程也即是射流的传播与扩散过程。射流的扩散首先开始于射流表面并逐渐向轴心发展。因而，在距喷嘴一定距离内就形成一锥形的等速流核区。射流核区内射流轴向动压力、流速及密度基本保持不变。射流的边界变宽、速度降低，从而使速度保持初始速度不变的区域也不断减少。速度等于零的边界称为射流外边界，射流速度保持初始速度的边界称为内边界，内外边界之间的区域为边界层。 显然，边界层的宽度随着离开出口的靶距而不断扩张，导致射流中保持初始速度不变的区域不断减少，使更多的水卷入射流流动。当内边界线与射流轴线相交时，即射流截面上只有轴线上的速度为初始速度时称这个射流界面为转折面，在转折面之前，射流轴线上的速度始终保持初始速度不变；在转折面之后，射流轴心线上的速度开始逐渐衰减。

在射流的外边界上，射流与周围介质相互作用将产生及不稳定的漩涡，这些大大小小的漩涡运动和分布都是杂乱无章的、随机的，在边界层内由于漩涡的运动使流体质点之间产生交换，交换的结果是：在射流边界层内产生沿射流横向和轴向的时均速度变化。中将射流分为初始段、基本段和消散段。射流初始段由喷嘴出口至转折面区域。射流一离开喷嘴就与环境介质发生剧烈的动量交换和紊动扩散，但仍有一部分处于中心线附近的射流介质保持喷嘴出口初始速度，这部分介质组成了等速核心，是射流的精华。任等速核心的内部不存在横向部分或纵向的速度梯度，各点的速度大疗向均相同，因此它属于一种有势流动（无旋运动），等速核心也势流核射流的内边界和外边界之间的区域为剪切层，该区域是由射流介质与环境介质相掺混而形成的紊流混合区。在该区内存在速度梯度，因而产生雷诺应力，随着靶距的增加核心区逐渐减小。射流基本段转折面以后消散段间的区域。射流起始段后较长一段射流为射流基本段。该段内射流轴向流速及动压力逐渐减少，其变化呈双曲线关系，而在垂直于轴心的截面上，轴向动压力与流速自最大值迅速减至边界上的最小值，其变化呈高斯曲线关系，同时，该段水刀内射流仍保持完整，并且有紧密的内部结构。

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