一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> ⑴觀察射流結(jié)構(gòu)及速度分布情況；通過測定氣體紊動(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)測定氣流速度的原理和方法，測定紊流系數(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，整個(gè)射流場的靜壓是相等的，故沿流動(dòng)方向沒有任何外力。
由于動(dòng)量的橫向，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。
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。
                 
式中：  U——測點(diǎn)流速，m/s;
   Um——量測斷面中心點(diǎn)流速，m/s;
——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)以該測點(diǎn)U=0為判斷條件）。 
三、實(shí)驗(yàn)基本原理：
㈠測定紊流系數(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：
    
式中：y ——測點(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——測點(diǎn)流速（m/s）；
υm ——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
個(gè)橫斷面，將所測得的各斷面的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測定流速 
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——測點(diǎn)流速
ρ——酒精密度
ρ——空氣密度
η——測壓計(jì)的常數(shù)因子
φ——測壓計(jì)的修正系數(shù)
     
y——測點(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.確定所選斷面的測點(diǎn)數(shù)和測點(diǎn)步長，由于圓管射流的對(duì)稱性，應(yīng)在射流半徑內(nèi)確定測量點(diǎn)數(shù)、出口斷面、段內(nèi)斷面、主體段內(nèi)斷面。最少測量點(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（該實(shí)驗(yàn)中測得）和射流中心坐標(biāo)值，以及測點(diǎn)數(shù)確定測點(diǎn)步長，即：          
測點(diǎn)步長=測點(diǎn)數(shù)
根據(jù)測點(diǎn)數(shù)和測點(diǎn)步長可確定每次測量點(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. 測空氣溫度和大氣壓。
三、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)安裝畢托管和測量x標(biāo)尺 y標(biāo)尺，畢托管和微壓計(jì)相連，以測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
噴口長              ι=140mm 
四、實(shí)驗(yàn)步驟
⑴檢查及調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如畢托管與測量標(biāo)尺是否固定好，測量標(biāo)尺固定螺絲是否松動(dòng)，多管測壓計(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)。
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)算測點(diǎn)流速u與um，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)測與在上圖內(nèi)進(jìn)行比較。
六、討論題
1.當(dāng)實(shí)測的與關(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；um為核心流速。
量測斷面各測點(diǎn)流速由畢托管測定，畢托管與酒精微壓計(jì)相連，以測定其動(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
用定位塊和畢托管定出噴嘴中心坐標(biāo)。
確定量測斷面，估算量測斷面的射流半寬度y0值，因y0值不易測準(zhǔn)確，常采用流速等于um/2處的y值，確定畢托管大致移動(dòng)范圍。應(yīng)量測三個(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7個(gè)測點(diǎn)，其它斷面測13-15個(gè)點(diǎn)。
（四）接通多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源。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。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)的測點(diǎn)處相同，再測定不同y值處的壓差值。根據(jù)流速分布變化來定合適的測點(diǎn)間距。
（五）測空氣溫度和大氣壓。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、成果與分析
（一）計(jì)算各量測斷面上的測點(diǎn)流速u，繪制各斷面流速分布圖，定出軸心最大流速um。見圖11-3。
（二）計(jì)算主體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)測值
微壓計(jì)修正系數(shù)Ψ=0
2.記錄

序號(hào) №	測針讀數(shù) （cm）	Y （cm）	微壓計(jì)斜管讀數(shù) ι（mn酒精柱）	u （m/s）	u/um	y/y0
斷面1 n=0 y 0=13mm
1	13.06	1.3	112	32.447
2	13.56	0.8	112	32.447
3	13.96	0.4	112	32.447
4	（中心點(diǎn)）14.36	0	112	32.447
5	14.76	-0.4	112	32.447
6	15.16	-0.8	112	32.447
7	15.66	-1.3	112	32.447

表1
（二）射流起始段長度的測定
〇  x=0╳ 
 x=75mm
△  x=150mm
□  x=200mm
 
 
 
 
圖11-3   收縮噴嘴流速分布圖
 
由表2與圖11-5um/u 0與x/R0關(guān)系曲線圖可以看出，當(dāng)x/R0≤6.8時(shí)，um/u 0=1.0；當(dāng)x/R0>6.8時(shí)，隨著x/R0的增加，um/u 0值逐漸減少，稱um/u 0=1.0的這段（勢流核）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    um/u0與x/R0關(guān)系曲線圖

表2

x（mm）	t （mm）	x/ R0	um/u0	x（mm）	t （mm）	x/ R0	um/u0
0	112	0	1.0	230	74	15.333	0.813
20	112	1.333	1.0	250	65	16.667	0.762
40	112	2.667	1.0	270	57.5	18.000	0.717
60	112	4.000	1.0	290	52	19.333	0.081
80	112	5.333	1.0	310	46	20.667	0.641
100	112	6.667	1.0	330	44	22.000	0.627
102	112	6.80	1.0	350	38	23.333	0.582
110	110.5	7.333	0.993	370	35	24.667	0.559
130	109	8.667	0.987	390	31	26.000	0.526
150	104	10.0	0.934	410	28	27.333	0.500
170	98	11.335	0.935	430	25	28.667	0.472
190	90	12.667	0.894	450	23	30	0.458
210	80	14.000	0.845

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、確定斜管的傾斜位置，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出噴嘴中心坐標(biāo)。
3、確定量測斷面，估算量測斷面的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7個(gè)點(diǎn)，其它斷面測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)后開始測量。首先記下中心點(diǎn)處的壓差△h，中心點(diǎn)兩邊測點(diǎn)數(shù)相同，再測各測點(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)所選測斷面，找出射流邊界，根據(jù)流速分布變化，確定合適的測點(diǎn)間距。記錄各測點(diǎn)的坐標(biāo)有微壓計(jì)讀數(shù)。
8、測定大氣壓及空氣溫度。
9、檢查記錄、關(guān)閉電源、清理現(xiàn)場。
記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1、將實(shí)測數(shù)據(jù)填入記錄表格。
2、繪出射流結(jié)構(gòu)圖。
3、計(jì)算各量測斷面上測點(diǎn)流速U，定出中心點(diǎn)最大流速，繪出速度分布圖。
4、計(jì)算斷面無因次速度U/Um和無因次坐標(biāo)y/ y0, 繪出無因次速度分布圖，與半徑公式相比較。