⑴觀察射流結(jié)構(gòu)及速度分布情況；通過測(cè)定氣體紊動(dòng)射流斷面流速分布，了解紊動(dòng)射流的特性。
⑵學(xué)習(xí)利用畢托管和微壓計(jì)測(cè)定氣流速度的原理和方法，測(cè)定紊流系數(shù)α。
二、實(shí)驗(yàn)原理
射流是指孔口或噴嘴向外噴出，進(jìn)入另一流體領(lǐng)域的一股流體。射流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為層流型和紊流型。
紊流射流自噴嘴出口以均勻的流速射入靜止的環(huán)境中時(shí)與周圍靜止的流體之間形成速度不連續(xù)的間斷面，間斷面因受干擾失去穩(wěn)定而產(chǎn)生旋渦，旋渦卷吸周圍流體而進(jìn)入射流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂產(chǎn)生紊動(dòng)，其影響逐漸向內(nèi)外兩側(cè)發(fā)展；形成內(nèi)外兩個(gè)自由紊動(dòng)的混合層，因整個(gè)射流場(chǎng)的靜壓是相等的，故沿流動(dòng)方向沒有任何外力。
由于動(dòng)量的橫向傳遞，卷吸進(jìn)入的流體取得動(dòng)量而隨同原來射出的流體向前流動(dòng)，原來的流體失去動(dòng)量速度降低，自由射流的動(dòng)量保持不變。在混合層中形成一定的流速梯度，又稱剪切層。卷吸與混摻的結(jié)果，使射流斷面不斷擴(kuò)大，而流速不斷降低，流量沿程增加。
由于紊流的間歇現(xiàn)象，射流邊界實(shí)際上是一個(gè)由紊動(dòng)渦體和周圍勢(shì)流交錯(cuò)組成的不規(guī)則面，但實(shí)際分析時(shí)從統(tǒng)計(jì)平均意義上把射流邊界看成線性擴(kuò)展的界面。將主體段的邊界線延長交于O點(diǎn)，O點(diǎn)為射流極點(diǎn)。
紊流射流在形成穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)后，整個(gè)射流分成幾個(gè)區(qū)段，由噴嘴邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的紊動(dòng)混摻部分稱為邊界層，中心部分未受到混摻的影響而保持原來出口流速，稱為射流核心，從出口到核心消失斷面之間的流動(dòng)稱為起始段。  紊動(dòng)充分發(fā)展的部分稱為主體段。
射流主體段各斷面的縱向速度分布具有相似性，用無量綱的半徑驗(yàn)公式來表示。
                       （21）
式中：  U——測(cè)點(diǎn)流速，m/s;
   U_m——量測(cè)斷面中心點(diǎn)流速，m/s;
y——測(cè)點(diǎn)到軸心的距離，m;
y₀——射流半寬，可按下式估算
                  
式中：R——噴嘴半徑，m;
X——自噴嘴出口到實(shí)驗(yàn)斷面之間的距離，m
θ——射流擴(kuò)散角。
（估算數(shù)值，僅供參考，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)以該測(cè)點(diǎn)U=0為判斷條件）。 
二、實(shí)驗(yàn)裝置
阻尼網(wǎng)穩(wěn)壓箱本裝置配有三種不同的射流噴口，實(shí)驗(yàn)時(shí)可任取其中一到兩種。在直徑為30mm的圓柱形噴嘴和收縮形噴嘴試驗(yàn)段上，均可作圓射流實(shí)驗(yàn)；此外，還配有扁形噴嘴（寬7mm、長120-140mm），可進(jìn)行扁射流實(shí)驗(yàn)。噴嘴置于試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)壓箱底部，噴嘴右側(cè)安裝畢托管和測(cè)量x標(biāo)尺 y標(biāo)尺，畢托管和微壓計(jì)相連，以測(cè)定各斷面的流速分布。
圓柱形噴嘴半徑      γ₀ =15mm
收縮形噴嘴半徑      γ₀ =15mm
扁形（條縫形）噴嘴
噴口半寬            b₀ =15mm
噴口長              ι=140mm 
三、實(shí)驗(yàn)基本原理：
㈠測(cè)定紊流系數(shù)
      ⑴根據(jù)射流的運(yùn)動(dòng)特性，射流起始段及基本段（射程）各斷面上的無量綱（無因次）速度，隨無量綱坐標(biāo)的分布具有相似性。用射流運(yùn)動(dòng)特征公式表示即為：
     （1）
式中：y ——測(cè)點(diǎn)距軸心的距離（m）；y₀為射流的半寬度，可按下式計(jì)算：
      R ——同截面上邊界層厚度（m）；
     υ——測(cè)點(diǎn)流速（m/s）；
υ_m ——斷面軸心最大流速（m/s）。
由此可驗(yàn)證無量綱速度分布的相似性。
⑵射流基本段軸心速度公式
①圓射流
（2）
②扁射流
（3）
式中：γ₀——圓射流出口半徑（m）
b₀——扁射流出口半寬（m）
             s——射流之射程（m）
υ₀——噴口處流速（m/s）
在基本段（射程）內(nèi)選取3的個(gè)橫斷面，將所測(cè)得的各斷面的υ₀ ，s及噴口的υ₀及γ₀（或b₀）代入式（2）或式（3），便得出3個(gè)α值，取平均值，即得紊流系數(shù)α。
㈡測(cè)定流速
   （4） 
式中：y₀——射流半徑
r₀——噴嘴半徑
X——自噴嘴出口至實(shí)驗(yàn)斷面的距離
θ——擴(kuò)散角
    （5）
式中：u——測(cè)點(diǎn)流速
φ——畢托管修正系數(shù)
ρ——酒精密度
ρ——空氣密度
η——測(cè)壓計(jì)的常數(shù)因子
φ——測(cè)壓計(jì)的修正系數(shù)
     （6）
式中： u_m——測(cè)量斷面中心流速
y——測(cè)點(diǎn)距中心的距離
1.用畢托管在噴嘴出口斷面定出中心坐標(biāo)即Y_中心，并記錄該值。
2. 確定測(cè)量斷面，即出口斷面，起始段內(nèi)一個(gè)斷面，主體段內(nèi)一個(gè)斷面。起始段和主體段的確定，首先要找到臨界斷面，從臨界斷面向上一段合適距離為起始段內(nèi)一個(gè)斷面，從臨界斷面向下一段合適距離為主體段內(nèi)一個(gè)斷面。分別記錄三個(gè)斷面的X向坐標(biāo)。
3.確定所選斷面的測(cè)點(diǎn)數(shù)和測(cè)點(diǎn)步長，由于圓管射流的對(duì)稱性，應(yīng)在射流半徑內(nèi)確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)、出口斷面、起段內(nèi)斷面、主體段內(nèi)斷面。最少測(cè)量點(diǎn)數(shù)分別為3點(diǎn)、5點(diǎn)、7點(diǎn)。根據(jù)所選斷面的射流半徑坐標(biāo)值（該值應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得）和射流中心坐標(biāo)值，以及測(cè)點(diǎn)數(shù)確定測(cè)點(diǎn)步長，即：          
測(cè)點(diǎn)步長=測(cè)點(diǎn)數(shù)
根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)和測(cè)點(diǎn)步長可確定每次測(cè)量點(diǎn)的y值。
4.將畢托管調(diào)到噴嘴中心，按啟動(dòng)按鈕開啟風(fēng)機(jī)，待氣體平穩(wěn)后開始測(cè)量，
首先記錄下中心處的壓差Δh，再根據(jù)算得y值，沿射流半徑一個(gè)方向測(cè)量，每次改變y值后，一定要觀察斜管壓力計(jì)中液面穩(wěn)定后，再進(jìn)行讀數(shù)。
5.測(cè)空氣溫度和大氣壓。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
⑴檢查及調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如畢托管與測(cè)量標(biāo)尺是否固定好，測(cè)量標(biāo)尺固定螺絲是否松動(dòng)，多管測(cè)壓計(jì)水泡是否居中等。
⑵根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)整多管測(cè)壓計(jì)液面高度（應(yīng)齊平），確定傾角α。
⑶將畢托管用橡皮管與測(cè)壓計(jì)連接（此時(shí)各玻璃管液位同高）。
⑷去掉實(shí)驗(yàn)臺(tái)上面板，接通風(fēng)機(jī)電源，開機(jī)。
⑸打開風(fēng)門，將畢托管放到測(cè)定點(diǎn)，預(yù)定流體的出口速度、不同射程s與斷面速度，以及軸心速度（均由動(dòng)壓換算）。
⑹測(cè)定大氣壓和氣溫。
⑺實(shí)驗(yàn)完畢后關(guān)閉風(fēng)門，停機(jī)，切斷電源，收拾好儀器設(shè)備使設(shè)備恢復(fù)愿狀。
五、  實(shí)驗(yàn)報(bào)告及成果要求
1.記錄有關(guān)常數(shù)。
2.計(jì)算測(cè)點(diǎn)流速u與u_m，并繪制流速分布圖，（注意統(tǒng)一單位）。
3.用半徑經(jīng)驗(yàn)公式標(biāo)出20個(gè)點(diǎn)，繪制與計(jì)算關(guān)系圖。將主體斷面的實(shí)測(cè)與繪在上圖內(nèi)進(jìn)行比較。
六、討論題
1.當(dāng)實(shí)測(cè)的與關(guān)系曲線不與經(jīng)驗(yàn)公式算出的關(guān)系曲線重合時(shí)，試分析誤差原因。
2.分析氣體紊流射流規(guī)律為什么采用無因次量表達(dá)？

















         （11-1）
         （11-2）
對(duì)扁射流，             （11-3）
式中：R₀為圓柱形噴嘴半徑；b₀為扁形噴嘴寬度；x為自噴嘴出口到實(shí)驗(yàn)段面的距離；θ為射流擴(kuò)散角。
公式（11-1）也適用于起始段邊層中的流速分布，此時(shí)式中的y為斷面上任意點(diǎn)至核心邊界的距離；y₀為同一斷面上邊層的寬度；u為斷面上邊層中y點(diǎn)的流速；u_m為核心流速。
量測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)流速由畢托管測(cè)定，畢托管與酒精微壓計(jì)相連，以測(cè)定其動(dòng)壓，其流速計(jì)算公式為：
           （11-4）
式中：Ф為畢托管修正系數(shù)；γs為酒精容重；γa為空氣容重；ι為微壓計(jì)斜管中液柱長度；ψ是微壓計(jì)修正系數(shù)；為由單位換算引出的系數(shù)，n為微壓計(jì)常數(shù)因子。

圖11-2   紊動(dòng)射流結(jié)構(gòu)圖
四、實(shí)驗(yàn)步驟
（一）調(diào)平微壓計(jì)的水平泡，確定斜管的傾斜位置在常數(shù)因子n=0.6處，調(diào)整斜管內(nèi)的液面到零位，將畢托管的動(dòng)壓（或總壓）管接頭接到微壓計(jì)多項(xiàng)接頭的“+”上，將靜壓管接頭接到斜管上。
（二）用定位塊和畢托管定出噴嘴中心坐標(biāo)。
（三）確定量測(cè)斷面，估算量測(cè)斷面的射流半寬度y₀值，因y₀值不易測(cè)準(zhǔn)確，常采用流速等于u_m/2處的y值，確定畢托管大致移動(dòng)范圍。應(yīng)量測(cè)三個(gè)斷面，即出口斷面、起始段一個(gè)斷面和主體段一個(gè)斷面；出口斷面可測(cè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，其它斷面測(cè)13-15個(gè)點(diǎn)。
（四）接通多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。將畢托管調(diào)到噴嘴中心。慢慢開啟試驗(yàn)臺(tái)氣流調(diào)節(jié)閥，使出口斷面斜管微壓計(jì)的斜管中的酒精柱在100mm左右，待氣流平穩(wěn)后開始量測(cè)。首先記下中心處的微壓計(jì)斜管液柱壓差ι值，中心點(diǎn)兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)處相同，再測(cè)定不同y值處的壓差值。根據(jù)流速分布變化來定合適的測(cè)點(diǎn)間距。
（五）測(cè)空氣溫度和大氣壓。實(shí)驗(yàn)完畢斷電停機(jī)。檢查微壓計(jì)斜管內(nèi)液面是否回零。
五、成果要求與分析
（一）計(jì)算各量測(cè)斷面上的測(cè)點(diǎn)流速u，繪制各斷面流速分布圖，定出軸心最大流速u_m。見圖11-3。
（二）計(jì)算主體段斷面的無量綱流速和無量綱坐標(biāo)y/ y₀；繪制無量綱流速分布圖，見圖11-4并和半經(jīng)驗(yàn)公式（11-1）進(jìn)行比較。
六、注意事項(xiàng)
若多功能試驗(yàn)臺(tái)為兩臺(tái)共用一個(gè)通風(fēng)機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量避免互相干擾。
七、思考問題
（一）無量綱流速分布半經(jīng)驗(yàn)公式能否適用于射流起始段？
（二）采用圓柱形噴嘴和收縮形噴嘴，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一樣？
（三）若采用扁形噴嘴，射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圓斷面射流會(huì)有什么不同？
八、實(shí)驗(yàn)附錄
（一）收縮形噴嘴流速分布實(shí)測(cè)值
1.常數(shù)
噴嘴半徑R₀=15mm        畢托管修正系數(shù)φ=0.998
噴嘴擴(kuò)散角θ=10.5°      空氣溫度t=15°
微壓計(jì)常數(shù)n=0.6         氣體密度ρa=1.24kg/m²
酒精密度ρ=810kg/ m²     大氣壓 
微壓計(jì)修正系數(shù)Ψ=0
2.記錄

表1
（二）射流起始段長度的測(cè)定

〇  x=0
╳  x=75mm
△  x=150mm
□  x=200mm
 
 
 
 





圖11-3   收縮形噴嘴流速分布圖

由表2與圖11-5u_m/u ₀與x/R₀關(guān)系曲線圖可以看出，當(dāng)x/R₀≤6.8時(shí)，u_m/u ₀=1.0；當(dāng)x/R₀>6.8時(shí)，隨著x/R₀的增加，u_m/u ₀值逐漸減少，稱u_m/u ₀=1.0的這段（勢(shì)流核）的長度，由下表可知，其始段長度為x₀=6.8 R₀=6.8×15=102mm。根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)成果，一般起始段長度為x₀=（6.8 -10）R₀，即（3.4-5）d，本實(shí)驗(yàn)成果在此范圍內(nèi)。
 

 
 
 
 
 
 
 

圖11-5    u_m/u₀與x/R₀關(guān)系曲線圖
表2
R₀= 15mm  溫度t=18℃  大氣壓力  微壓計(jì)n=0.6

實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)在小型空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。采用圓柱形噴嘴，噴嘴直徑30mm。
實(shí)驗(yàn)步驟
1、調(diào)平微壓計(jì)的水平泡。確定斜管的傾斜位置。調(diào)斜管內(nèi)液面到零位。將畢托管的全壓管接到微壓計(jì)多項(xiàng)接頭的“+”頭，靜壓管接到斜管上。
2、用定位塊或畢托管定斜管定出噴嘴中心坐標(biāo)。
3、確定量測(cè)斷面，估算量測(cè)斷面的y₀值，確定畢托管大致移動(dòng)范圍。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組測(cè)出三個(gè)實(shí)驗(yàn)斷面，即出口斷面、起始和主體段各選一個(gè)斷面。出口斷面可測(cè)7個(gè)點(diǎn)，其它斷面測(cè)13~15個(gè)點(diǎn)。
4、接通電源，去掉實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上活動(dòng)蓋板。
5、將畢托管調(diào)到噴嘴中心。慢慢開啟氣流調(diào)節(jié)閥到所需位置。待氣流平穩(wěn)后開始測(cè)量。首先記下中心點(diǎn)處的壓差△h，中心點(diǎn)兩邊測(cè)點(diǎn)數(shù)相同，再測(cè)各測(cè)點(diǎn)的壓差。
6、沿中心線向下移動(dòng)畢托管，當(dāng)微壓計(jì)讀數(shù)開始變化時(shí)記錄該點(diǎn)的X坐標(biāo)，此點(diǎn)所在斷面為轉(zhuǎn)折斷面。
7、分別向上及向下移動(dòng)畢托管到所選測(cè)斷面，找出射流邊界，根據(jù)流速分布變化，確定合適的測(cè)點(diǎn)間距。記錄各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)有微壓計(jì)讀數(shù)。
8、測(cè)定大氣壓及空氣溫度。
9、檢查記錄、關(guān)閉電源、清理現(xiàn)場(chǎng)。
記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1、將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)填入記錄表格。
2、繪出射流結(jié)構(gòu)圖。
3、計(jì)算各量測(cè)斷面上測(cè)點(diǎn)流速U，定出中心點(diǎn)最大流速，繪出速度分布圖。
4、計(jì)算主庥斷面無因次速度U/U_m和無因次坐標(biāo)y/ y_0, 繪出無因次速度分布圖，與半徑公式相比較。