第五节　紊流射流与紊流扩散

单项选择题（下列选项中，只有一项符合题意）

1．实验证明，射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强，则表明（　  ）。[2012年真题]

A．各横断面的流量相等

B．各横断面的动量相等

C．各横断面的速度相等

D．各横断面的质量相等

【答案】B

【解析】如图1所示，取图1中1-1、2-2所截的一段射流脱离体分析其上受力情况。因各面上所受静压强均相等则x轴外力之和为零，据动量方程可知各横截面上动量相等，即动量守恒，这就是射流的动力学特征。

图1

2．在射流中，射流扩散角愈大，说明（　　）。[2011年真题]

A．紊流强度愈大

B．紊流强度愈小

C．紊流系数愈大

D．喷口速度愈大

【答案】A

【解析】射流按一定的扩散角向前作扩散运动，射流外边界近似为直线。对于圆断面射流则有：（a为紊流系数），即与a成正比例关系。紊流强度的大小用紊流系数a来表示：a愈大，紊流的强度就愈大，即射流扩散角愈大，紊流强度愈大。因此，a为表征射流流动结构的特征系数。另一方面，由于a反映的是射流混合能力的大小，因此，a还可以反映孔口出口截面上的速度均匀程度。a越小，则混合能力越差，说明流速越均匀。

3．喷口或喷嘴射入无限广阔的空间，并且射流出口的雷诺数较大，则称为紊流自由射流，其主要特征是（　　）。[2010年真题]

A．射流主体段各断面轴向流速分布不相似

B．射流各断面的动量守恒

C．射流起始段中流速的核心区为长方形

D．射流各断面的流量守恒

【答案】B

【解析】无限空间的紊流自由射流的特征包括：①射流的运动与结构，过渡断面、起始段及主体段，保持为出口流速的区域称为射流核心，只有轴心点上流速为的断面称为过渡断面；以过渡断面分界，出口断面至过渡断面称为射流起始段，过渡断面以后称为射流主体段；起始段射流轴心上速度都为，两主体段轴心速度沿x方向不断下降，主体段中完全为射流边界层所占据；②几何特征，射流按一定的扩散角a向前做扩散运动；③运动特征，实验结果表明，射流各截面上速度分布具有相似性；④动力特征，实验证明，射流中任意点上的静压强均等于周围气体的压强。由动量方程可知，各横截面上动量相等，即动量守恒。

4．室外空气经过墙壁上高度H=5m处的扁平窗口（）射入室内。出口断面速度为，问距壁面S=7m处的质量平均速度（设紊流系数α=0.118）（　　）。[2009年真题]

A．1.80m/s

B．1.154m/s

C．2.815m/s

D．1.933m/s

【答案】D

【解析】湍流射流扩散角α与湍流系数a及喷嘴断面系数φ有如下关系：，代入数值得：=0.118×2.44=0.288。试验证明，圆断面射流φ=3.4，长条缝喷出的平面射流，φ=2.44。距壁面S=7m处断面离喷嘴的距离为：，所以有质量平均速度为：

。

5．下列关于无限空间气体淹没紊流射流的说法中，正确的是（　  ）。[2008年真题]

A．不同型式的喷嘴，紊流系数确定后，射流边界层的外边界线也就被确定，并且按照一定的扩散角向前作扩散运动

B．气体射流中任意点上的压强小于周围气体的压强

C．在射流主体段的不断混掺，各射流各断面上的动量不断增加，也就是单位时间通过射流各断面的流体总动量不断增加

D．紊动射流横断面上流速分布规律是：轴心处速度最大，从轴心边界层边缘速度逐渐减小至零。越靠近射流出口，各断面速度分布曲线的形状越扁平化

【答案】A

【解析】将射流外界（流速为零的边界）AB，DE延至喷嘴内交于M点，M点称为极点，的一半称为极角，可用下式计算：，式中：为湍流系数，它反映喷嘴处流速分布的紊乱程度，由实验确定，应用时可查相关资料；为喷嘴断面形状系数。上式表明，射流的扩散角取决于喷嘴形状与出口流速。当喷嘴形状与出口流速一定时，射流的边界层的外边界线即被决定，并按一定的扩散角向前做扩散运动，此即射流的几何特征。从特留彼尔的实验结果可知，无论起始段还是主体段内，轴心处速度最大，从轴心向边界层边缘速度逐渐减小至零；离喷嘴的距离越远，轴心上的速度越小，边界层的厚度越大。实验证明，射流任意点上的压强均等于周围的大气压强；通过动量方程可以证明，各横断面上的动量相等，即动量守恒。

6．射流的运动特征之一是（　　）。

A．射流流速随射程x增大而增大

B．射流流速随射程x增大而减小，射程x越大流速分布越扁平化

C．射流流速随射程x增大不发生变化

D．以上三种说法全不对

【答案】B

【解析】特留彼尔的实验结果表明：射流的流速分布规律为无论起始段还是主体段内，轴线处速度最大。从轴线向边界层边缘速度逐渐减小至零；离喷嘴的距离越远，射流轴线上最大速度同到射流源的距离的平方根成反比，因此，随着射程的增大，射流最大速度越来越小。

7．当喷嘴形状与出口流速一定时（　　）。

A．射流的边界层外边界线不能确定

B．射流的边界层外边界线不能确定，沿程不断变化

C．射流的边界层外边界线就能确定

D．以上说法都不对

【答案】C

【解析】射流外边界夹角成为“极角”，极角的一半为α，极角α计算公式：tanα=aφ，其中a为湍流系数，φ反映喷嘴断面形状系数。此式表明，射流的扩散角取决于喷嘴形状与出口流速，当喷嘴形状与出口流速一定时，射流的边界层的外边界线即被决定，并按一定的扩散角α向前做扩散运动，此即射流的几何特征。

8．下列关于无限空间紊流射流特征的说法中，正确的是（　　）。

A．紊流射流形成向周围扩散的圆柱形流场

B．在紊流射流各断面上动量是不守恒的

C．射流各断面的速度分布没有相似性

D．在射流中任意点的压强均等于周围的大气压强

【答案】D

【解析】无限空间的紊流淹没射流具有以下特征：①几何特征，紊流射流的厚度或半径沿射流轴线方向呈线性增长；②运动特征，在射流边界层内，断面纵向流速的分布具有相似性；③动力特征，紊流射流中各点的压强近似相等，且等于周围流体介质的压强，出口横截面上动量等于任意横截面上动量（各截面动量守恒）。

9．下列哪项不是无限空间紊流射流所具有的特征?（　　）

A．射流各断面速度分布具有相似性

B．形成向周围扩散的圆锥形流场

C．离管嘴距离越远，轴心上速度越大，边界层厚度越大

D．各断面上的动量相等

【答案】C

【解析】无限空间的紊流淹没射流具有以下特征：①几何特征，紊流射流的厚度或半径沿射流轴线方向呈线性增长；②运动特征，在射流边界层内，断面纵向流速的分布具有相似性；③动力特征，紊流射流中各点的压强近似相等，且等于周围流体介质的压强，出口横截面上动量等于任意横截面上动量（各截面动量守恒）。

10．气体从圆形喷嘴喷到大气，对此喷射气流，以下描述不正确的是（　　）。

A．任一过流断面的平均流速约为中心速度的20%

B．气流形状为轴对称

C．越往下游，最大速度越小

D．气流轴心处压强最大，越往边缘压强越小

【答案】D

【解析】圆断面射流的特征是：①几何特征，气流呈圆锥体形，射流流体与周围流体介质之间的掺混是在圆锥面上进行的，即湍流射流的半径沿射流轴线方向呈线性增长；②运动特征，气流轴心处速度最大，圆锥面上速度为零，喷射距离越远，边界层越厚，轴心速度越小，在射流边界层内，断面纵向流速的分布具有相似性；③动力特征，气流中各点的压强近似相等，且等于周围流体介质的压强；④喷射距离越远，流量越大，这是因为喷射气流边缘处的卷吸作用，将周围介质不断带入气流中；⑤任一过流断面的平均流速约为其中心速度的20%。