2. 喷流与射流的基本物理

在CFD建模中，喷流与射流并不是一个“入口给速度、出口给压力”就能自动算对的普通流动。它的核心特征在于：射流离开喷口后，会通过湍流剪切层不断卷吸周围静止或运动的流体，使自身质量流量沿程增大、速度峰值沿程衰减、宽度沿程扩张。理解这些基本物理形态，是后续选择湍流模型、设置入口湍流参数、确定计算域尺寸和网格分辨率的直接依据。

一、五类典型射流形态

自由射流是最基础的形态：射流从喷口射入无限大静止环境，没有固体壁面和外部来流干扰。它的动量通量沿程近似守恒，但质量流量因卷吸而持续增加，因此轴线速度必然下降。工程中常见的烟囱排放、飞机尾喷管远场、通风口送风都可近似为自由射流。

壁面射流是射流沿固体壁面发展，例如空调贴附送风、气帘、燃烧器壁面冷却。壁面抑制了射流一侧的卷吸，使射流偏向壁面，同时壁面边界层与射流剪切层相互作用，产生额外的壁面摩擦和可能的分离。建模时壁面函数、y+控制和壁面粗糙度都会显著影响结果。

浮力羽流由密度差驱动，而非初始动量主导。热烟气、热水排放、火灾羽流都属于此类。其关键参数是浮力通量B，速度与浮力耦合，常出现“蘑菇状”头部和明显的涡环结构。CFD中需要耦合能量方程，并注意浮力项在动量方程中的处理。

伴随流射流指射流进入同向运动的背景流中，如发动机喷流在飞行气流中、河流排污口在河流中。伴随流速度比R = U∞/Uj决定射流是“强射流”还是“弱射流”。R接近1时，射流与背景流迅速混合，势核缩短；R远小于1时，射流保持较长的独立发展段。

浮力伴随流射流则同时存在初始动量和浮力，常见于浮力羽流在横向风中的弯曲，需要同时考虑动量比和浮力比。

二、发展区、势核与自相似区

射流沿程可分为三个典型区域。喷口附近是势核区，轴线附近速度仍保持喷口速度Uj，外围被剪切层包围。势核长度Lc通常为4~6倍喷口直径D，具体取决于喷口湍流度、形状和伴随流比。势核结束后进入过渡区，轴线速度开始明显下降，速度剖面从矩形逐渐变为钟形。再往下游进入自相似区，速度剖面在归一化坐标下不再随x变化，轴线速度按Uc ∝ 1/(x-x0)衰减，射流半宽按b ∝ (x-x0)线性扩张。

自相似区的存在是CFD建模的重要便利：如果计算域足够长，可以用较粗的网格捕捉远场，而把精细网格集中在势核和过渡区。但要注意，自相似区要求射流已充分发展，若计算域太短，出口边界会“截断”射流，导致回流或非物理反射。

三、卷吸与掺混

卷吸是射流与周围流体交换质量的机制。自由射流的质量流量沿程增加，满足 m(x) ∝ x。卷吸系数α定义为卷吸速度与轴线速度之比，典型值约0.05~0.08。卷吸强度直接影响射流扩张率和浓度衰减。在CFD中，卷吸由湍流模型隐式或显式处理：k-ε模型通过湍流黏性预测卷吸，而LES/DES则直接解析大尺度涡的卷吸过程。

掺混效果可用浓度衰减衡量。对于被动标量射流，轴线浓度Cc ∝ 1/(x-x0)，与速度衰减规律一致。若需要快速稀释，可增加喷口湍流度或采用多喷口阵列，利用射流间相互作用增强掺混。

四、涡环与剪切层不稳定性

射流出口剪切层存在Kelvin-Helmholtz不稳定性，初始扰动会发展成涡环。涡环在向下游迁移过程中合并、破碎，最终转化为湍流。这一过程决定了势核长度和过渡区位置。在CFD中，如果使用RANS模型，涡环结构被时均化，只能得到平均速度场；若需要捕捉涡环和剪切层失稳，必须使用LES或DES，且网格分辨率需满足Δx < 涡环尺度，通常要求喷口附近网格尺寸小于D/20。

五、关键参数速查