流体力学第六章气体射流.ppt
R
0
2 ydy Q00 r
2
2 2 0 0
16
列动量守恒式：
r 2 ydy
2 2 0 0 2 0
17
R
§6.2 圆断面射流的运动分析
(一)主体段轴心速度
vm
vm 0.965 0.48 0.96 ＝ ＝ － v0 as 0.294 as ＋0.147 a x r0 d0
气液固多相射流等。
由于工程上常见的射流一般都是紊流射流，所以
本章主要讨论紊流射流的特征和机理。
5
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征 §6.2 圆断面射流的运动分析 §6.3 平面射流 §6.4 温差射流与浓差射流 §6.6 有限空间射流
6
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
射流与孔口管嘴出流的研究对象不
tg K a
a----紊（湍）流系数
3.4 a 圆断面射流 2.44 a 平面射流
取决于管嘴出口截面上流体的紊流度及速 13 度分布的均匀程度，管嘴出口处流体的紊 流度越大，流速分布越不均匀，a值越大。
—形状系数；
取决于管嘴 出口截面上 流体的紊流 度及速度分 布的均匀程 度，管嘴出 口处流体的 紊流度越大， 流速分布越 不均匀，a值 越大。
流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，
为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间 射流
2
射流的分类方法：
1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流 和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺 数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音 速射流和超音速射流。
进行动量交换，从而把周围的静止气体卷吸到射
流中来，使得射流的流量和过流断面沿程不断增 大，从而扩大圆锥状的结构。
10
（一）射流场的形成与结构
--极角或扩散角
速度为u0的 部分称为核 心区；其余 部分称为边 界层。 过度断面：只 有轴心速度为 u0的断面。
11
图6-1 自由射流的流场结构特征
12
18
二. 断面流量 Q
Q as as 2.2( 0.294) 4.4( 0.147) Q0 r0 d0
三.断面平均速度
1 0.19 0.095 0.19 ＝ ＝ － 0 as 0.294 as ＋0.147 a x
r0
四.质量平均流速
1
2
d0
2 0.4545 0.23 0.4545 0 as 0.294 as 0.147 ax
r0 d0
19
五、起始段核心区长度 s n 的计算及核心收缩角
m 0.48 1 0 as 0.147
d0
＝＞
r0 sn 0.671 a
r0 tg 1.49a sn
20
【 例 题 6.3】 圆 射 流 以 Q0=0.55m3/s， 从 d0=0.3m管嘴流出。试求2.1m处射流半宽度R、 轴心速度 、断面平均速度 、质量平均速度 ， 1 m 2 并进行比较。
Q0 0.55 4 0 2 7.785m / s 2 d 0 3.14 0.3
21
从而由主体段计算公式得
m
0.48 as 0.147 d0 0 0.48 7.785 5.285m / s 0.08 2.1 0.147 0.3
射流考虑，当长宽比大于10时，按平面射流考虑。
6.按射流流体的流动方向与外界空间流体的流动
方向不同，可分为顺流射流、逆流射流和叉流射流。
4
7.按射流流体与外界空间内流体的温度及浓度不
同，可分为温差射流和浓差射流。
8.按射流流体内所携带的异相物质的不同，可分
为气液两相射流，气固两相射流和液固两相射流以及
【解】查表6-1，得 a =0.08。 先求核心长度
r0 0.15 s n 0.672 0.672 1.26m a 0.08 所求截面在主体段内 。
sn
as 0.08 2.1 R 3.4 0 . 294 r 3 . 4 0 . 294 0.15 0.721m r 0 0.15 0
（二）射流场的几何特征及紊流系数a
R x x0 s s as s ＝ ＝ ＝ 1＋ 1 3.4a 3.4( 0.294) x0 r0 x0 x0 r0 r0
R x 3.4ax , x r0 r0
as D 6.8 0.147 d0 d 0
—湍流系数，由实验决定，是表示射流 流动结构的特征系数。 湍流系数与喷口断面的湍流强度 和速度分 布均匀性有关。
14
a
（三） 射流边界层的运动特征
15
y 1 m R
1.5 2
1
（四）射流场的动力特征
1.5 2
x方向外力的合力为零，动量守恒----射流的动力学 特征
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动
的过程中，是否受到某固体边界的约束，可分为自由
射流、半限制射流和限制射流。
3
4.按射流流体在扩散流动过程中是否旋转，可分 为旋转射流和非旋转射流。 5.按射流管嘴出口截面形状不同，可分为圆形射 流 ( 又称轴对称射流 ) 、矩形射流、条缝射流 ( 可按平 面射流处理)、环状射流和同心射流等。 对于矩形射流，当长宽比小于 3 时，可按轴对称
同，射流主要研究的是出流后的流速场、
温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面 的流速和流量。
7
P
温控器
VAV末端
8
扩散器的水力设计
9
假设气体从半径 r0 的圆形喷口喷出，由于讨 论的是湍流射流，所以气体在出口断面上的速度
分布是均匀的，设出口速度为 v0 ，气体从喷口喷
出后，由于湍流脉动，射流气体和周围气体不断
第六章
气体射流
气体自孔口﹑管嘴或条缝向外喷射所形成的 流动，称为气体淹没射流，简称气体叫做紊流射
流。 射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和 喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
1
第六章
气体射流
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流
主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 后者仅讨论出口断面的流速和流量。 出流空间大小，对射流的流动影响很大。出
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《流体力学》第六章气体射流ppt课件
1
6.8
as r0
11.56
as r0 as r0
2
1 0 .4 3 a s
v1 v0
1
b0 2 .4 4 a s
b0
段
质量平均 v 2
流速
v2 v0
10.76as r0
1
2
1.32
as r0
v2 v0
1
1 0.43 as
b0
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27
段名 参数名称 符号 圆断面射流
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14
Bn和Cn值
n
1
1.5
2
2.5
3
Bn 0.0985 0.064 0.0464 0.0359 0.0286
Cn 0.3845 0.3065 0.2585 0.2256 0.2015
Bn
1
(
v
)nd
0 vm
Cn
1
(
v
)n d
0 vm
rR02vvm 0 22B220.0464
v 3.28 r m
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射流参数的计算
段 名
参数名称
符号
圆断面射流
平面射流
主 扩散角 α tg3.4a tg2.44a
体
段 射流直径 或半高度
D b
D d0
6.8
as d0
0.147
b b0
2.44
as b0
0.41
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18
段名 参数名称 轴心速度
主
流量
体 断面平均 流速
段 质量平均 流速
符号
vm
Q
圆断面射流
流体力学第6章(2007)
4）射流的极点、极角和核心收缩角
把外边界反向延长，其交点就是极点 外边界与射流轴线的交角a叫射流的极角（外圆锥的半角）。 内边界与轴线的交角叫核心收缩角（内圆锥的半角）。
5
第一节无限空间淹没紊流射流特性
二、紊流系数a及几何特征
其斜率即：tga＝常数＝k。 对于不同的条件，k值是不同的常数，也叫实验常数。 通过实验发现，k值的影响因素有两个主要的因素： 1、射孔出口截面上气流的紊流强度。 紊流强度的大小用紊流系数a（A）来表示：a大紊流的强度就大，因此，紊 流 系数的大小可以反映出射流的扩张能力，所以，a也叫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 。 2、射孔的形状，圆孔口和方孔显然其扩张的情况不会相同。不同的射口形状有 不 同的实验值。用φ表示这个影响因素， 对圆断面射流 φ＝3.4，长条缝射孔 φ＝2.44。
21
第四节 温差或浓差射
Q as as 2 3.74 0.90( ) Q0 r0 r0
Q Q Q as as 2 1 0.76( ) 1.32( ) Q0 Q0 r0 r0
16
第二节 圆断面射流的运动分析
七、起始段断面平均流速v1
r0 v1 Q/ A Q Q ( )( )2 v0 Q0 / A0 Q0 Rr v1 v0 as as 2 1 0.76 1.32( ) r0 r0 as as 2 1 6.8 11.56( ) r0 r0
来，实际上又回到了射流中。
热力特性：扩张区域同静止气体交换热量，由于过程为等压过程，由热力学的知
识可知，Q＝ΔH-VdP 即交换的热量等于运动区域与静止区域的
(完整版)第六章气体射流
6.4 温差或浓差射流
温差（浓差）射流—本身温度（浓度）与周围有差异的射流 射流内边界层 温度内边界层
温度外边界层 射流外边界层
为简化，忽略温度（浓度）与射流速度边界的差
对于温差射流
出口截面与外界温差 轴心与外界温差
T0 T0 Te
Tm Tm Te
截面上某点与外界温差 T T Te
对于浓差射流
Q0v0 r02v02
任意截面动量
R
v2 ydyv
R 2v2 ydy
0
0
动量守恒
r02v02
R 2v2 ydy
0
6.2 圆断面射流的运动分析
根据紊流射流的特征来研究圆断面射流的速度、流量沿 射程的变化规律。
□ 6.2.1 轴心速度vm
方程两端同除 R2vm2 :
r02v02
喷嘴种类
带有收缩口的喷嘴 圆柱形管 带有导板的轴流式风机 带有导板的直角弯管 带有金属网的轴流式风机 收缩极好的平面喷口 平面壁上锐缘狭缝
具有导叶磨圆边口的风道纵向缝
a 0.066 0.08 0.12 0.20 0.24 0.108 0.118
0.155
2α 25o20' 29o00' 44o30' 68o30' 78o40' 29o30' 32o10'
41o20'
喷嘴上装置不同型式的风板栅栏，则出口截面上气流的扰动紊乱程度不同， 因而紊流系数 a 不同。扰动大的紊流系数 a 值增大，扩散角 α 也增大。
◇ 圆断面射流半径沿射程的变化规律
射流半径的沿程变化规律
R r0
3.4
as r0
0.294
流体力学第六章 气体射流
6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
2.运动特征：速度分布具有相似性。 特留彼尔在轴对称射流主体段的实验结果，以及阿勃拉莫 维奇在起始段内的测定结果，见图6-2（a）及图6-3（a）。
6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
3.动力特征 射流中的压强与周围流体中的压强相等。 可得各横截面上轴向动量相等——动量守恒，动量守 恒方程式为：
6.4 温差或浓度差射流
6.4 温差或浓度差射流
三.射流弯曲 温差射流或浓差射流由于密度与周围密度不同， 所受的重力与浮力不相平衡，使整个射流将发生向下或向上弯 曲。通过推导可得出无因次轨迹方程为
6.4 温差或浓度差射流
[例6-3]工作地点质量平均风速要求3m/s，工作面直径D=2.5m 送风温度为15℃，车间空气温度30 ℃，要求工作地点的质量 平均温度降到25 ℃ ，采用带导叶的轴流风机，紊流系数 = 0.12。求（1）风口的直径及速度;（2）风口到工作面的距离。 [解]温差 =15-30=-15 ℃
6 气体射流
6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
一.射流结构 出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限 空间射流，又称自由射流。射流的流动特性及结构图：
6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
二.射流的特性 1. 几何特性： 外边界线为一直线。tan a 紊流系数 a 是表征射流流动结构的特征系数。它与出口断 面上紊流强度有关，紊流强度越大。各种不同形状喷嘴的紊 流系数和扩散角的实测值列于表6-1。
一.特点：1.温度边界层与速度边界层不重合。 2.射流发生弯曲。
6.4 温差或浓度差射流
二.特性: 1.温差特性： 试验得出，截面上温差（浓度差分布）分布具有相 似性。 与速度分布关系如下：
流体力学(上)第六章
气的温度为-10℃，室内空气温度为20 ℃，射流初速
度为2m/s，求地板上的温度 解题步骤：
y 0 x
1.是平面射流P171 2.参数对应：y=－7m，
－7
T0=－10℃=263K，Te=20℃ =293K，
v0=2m/s，求Tm
3.由公式(P170)y/2b0（α=0.12）、ΔTm/ΔT0，解得
6-4、温差或浓差射流
射流本身的温度或浓度与周围气体的温度或浓度有差异
动量交换使速度剖面形成边界层
热量、浓度扩散比动量扩散要快些，因此其边界层比速度边界层 发展要快些或厚些；图示虚线（或红线）为温度或浓度边界层
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1 0.8 0.6 0.4
轴心上温差
截面上任一点温差 T T Te -1 运动特征 温差、浓差的分布也相似，与速度分布类似:
T Tm m v vm y 1 R
1 .5
0.2 0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
R ro s tg R ro 3 .4 ( as ro 1 / 3 .4 )
6-1、无限空间淹没紊流射流的特征
运动特征
速度v=f(x,y)
如何简化表达式？ 将速度和坐标 无量刚化
6-1、无限空间淹没紊流射流的特征
v vm f( y y 0 .5 v m ) 其中： y y 0 .5 v m
Tm Te 1 Tm Te T m To To Te
dt
v m To v o Te
第六章 气体射流PPT课件
概述
横向动量交换，旋 涡的出现，使之质量交换， 热量交换，浓度交换。而 在这些交换中，由于热量 扩散比动量扩散要快些， 因此温度边界层比速度边 界层发展要快些厚些，如 图 6 一 6a 所示。实线 为速度边界层，虚线为温 度边界层的内外界线。
研究内容
浓度扩散与温度相似。在实 际应用中，为了简化起见，可以 认为，温度、浓度内外的边界与 速度内外的边界相同。于是参数 R 、 Q 、 vm 、 v1、 v2等可 使用前两节所述公式，仅对轴心 温差 △ Tm ，平均温差等沿射程 的变化规律进行讨论。
r0
r0
2、运动特征
轴心速度 最大，从轴心 向边界层边缘， 速度逐渐减小 至零。
距喷嘴距 离越远边界层 厚度越大，而 轴心速度则越 小，也就是速 度分布曲线不 断地扁平化了。
各参数定义
射流各截面上速度分布的 相似性。
3、动力特征
射流中任意点上的静压强均等于 周围气体的压强，即p=0。
各面上所受静压强均相等，x 轴 向外力之和为零。
为②边界层。 显然，射流边界层一方面不断地
向外扩散，带动周围介质进人边界层， 另一方面向射流中心扩展。
只有轴心点上速度为 u0的射流断
面 称为③ 过渡断面或转折断面。
以过渡断面分界，出口断面至 过渡断面称为射流④ 起始段。过 渡断面以后称为射流⑤ 主体段。
起始段射流轴心上速度都为
u0 ，而主体段轴心速度沿 x 方
三、紊流射流的特征
1、几何特征
射流半径和从极点起算的距离成正比， 即 BO =Kx。
扩散角α为一定值，其正切值
式中 K ― 试验系数，对圆断面射流 K=3.4a。
a ― 紊流系数，由实验决定，是表 示射流流动结构的特征系数。
流体力学课件6气体射流
状态方程
总结词
描述气体在不同状态下的物理属性。
详细描述
状态方程是描述气体在不同压力、温度和密 度下的物理属性的关系式。在气体射流中， 状态方程可以用于计算气体的密度、压力和 温度等物理量，进而用于求解其他方程。
04
气体射流的数值模拟方法
有限差分法
有限差分法是一种基于离散化的数值方法，通过将连续的 物理量离散化为有限个离散点上的数值，并建立差分方程 来求解物理量的变化规律。
特性
气体射流具有方向性、扩散性和扰动 性等特性，这些特性决定了气体射流 的运动规律和作用效果。
分类与形式
分类
根据不同的分类标准，气体射流可以分为多种类型，如按流 动形态可分为自由射流、受限射流和冲击射流等；按气体性 质可分为可压缩气体射流和不可压缩气体射流等。
形式
气体射流的形式多样，常见的有喷嘴射流、燃烧室射流、透 平射流等，这些形式的应用范围和作用效果各不相同。
随着气体射流远离喷口，压力逐渐减小，这是由于气体流动过程中能量损失导致 的。
温度分布与变化
温度分布
气体射流中的温度分布与压力分布类 似，中心区域温度较高，边缘区域温 度较低。
温度变化
射流过程中，由于气体与周围介质之 间的热量交换，温度会发生变化。通 常情况下，射流会逐渐冷却。
密度分布与变化
密度分布
射流的基本方程
01
02
03
连续性方程
描述了气体射流中质量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的质量流量相等 。
动量方程
描述了气体射流中动量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的动量流量相等 。
能量方程
描述了气体射流中能量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的能量流量相等 。
流体力学第六章 气体射流
射流考虑，当长宽比大于10时，按平面射流考虑。
6.按射流流体的流动方向与外界空间流体的流动
方向不同，可分为顺流射流、逆流射流和叉流射流。
7.按射流流体与外界空间内流体的温度及浓度不
同，可分为温差射流和浓差射流。
8.按射流流体内所携带的异相物质的不同，可分
为气液两相射流，气固两相射流和液固两相射流以及
流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，
为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间 射流
射流的分类方法：
1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流 和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺 数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音 速射流和超音速射流。
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动
R 3 .4 R 0 ( as R0 0 . 294 ) 3 . 4 a s R 0
所以，喷口至工作区的距离为
s R R0 3 .4 a 1 . 2 0 . 15 3 . 4 0 . 08 3 . 86 m
射流起始段长度为
习 题 解 析
s n 0 . 672 R0 a 0 . 672 0 . 15 0 . 08 1 . 26 m 3.86 m
R r0 ＝ x x0 ＝ x0 s x0 ＝1＋ s x0 1 3 .4 a s r0 3 .4 ( as r0 0 . 294 )
R r0
3 .4 a x , x
x r0
D d0
as 6 .8 d 0 . 147 0
tg K a
0 . 965 as r0 0 . 294
，可得
第六章-气体射流演示教学
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
一、射流场的形成与结构 2、射流场的结构
射流核心：图所示AOD部分， 该部分气体还未与外界发生交换。
边界层：AOD以外的部分，速 度小于核心区，又分为内边界层 和外边界层。
过渡断面：即BOE断面，该断 面以外核心区消失。
起始段：过渡断面以内，轴心 速度均为u0。 主体段：过渡断面以外。 射流半径R：任意断面轴线到外 边界的距离。
0
Q0
d02
0.554 3.140.32
7.78m5/s
4
从而由主体段计算公式得
ma0 s.4800.0 8 2 0 ..1 48 7.78 5.5 2m 8/s5
0.147
0.147
d0
0.3
1a0.s095 00.0 8 0 2 ..0 1957.78 1.5 0m 4/s6
0.147
0.147
在采暖通风空调工程中，常采用冷风降温，热风采 暖，此时为温差射流，而将有害气体或灰尘浓度降低的 射流为浓差射流。
温差或浓差射流分析，主要是研究温差或浓差场的 分布规律，同时讨论由温差或浓差引起的射流弯曲的轴 心轨迹。
第六章 气体射流
基本概念
射流：流体经孔口或管嘴流出，流入另一部分流体介质中的现象。 射流的分类：
1、依照流体的种类，有气体射流和液体射流。 2、依照射流条件，有淹没射流和自由射流。 3、依照出流空间对射流是否有影响，有无限空间射流和
有限空间射流。 4、依照射流流态，有层流射流和紊流射流。 5、依照喷口形状，有圆形射流、矩形射流和条缝射流。
d0
v2 = 0.23 v 0 a s + 0 .1 4 7
d0
§6.2 圆断面射流的运动分析
流体力学第六章
r0 d0
（3）起始段质量平均温差∆T2 将起始段的 qv 0 / qv代入T2 / T0 qv 0 / qv ，即得起始段 质量平均温差计算式为
T2 qv 0 T0 qv
1 as as 1 0 .76 1 .32 r0 r 0
2
二、射流弯曲
质量平均流速为轴心流速的 47％。因此用v2 代表使用区 v2 ：不仅在数值上 v1 、 的流速要比 v1 更合适些。但必须注意， 不同，更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。
五、起始段核心长度 Sn 及核心收缩角
r0 s n 0.672 a
r0 tg 1.49a sn
§6-4 平面射流
一、有限空间射流结构
C ：漩涡中心
Ⅰ-Ⅰ断面也称第一临界断面， Ⅱ-Ⅱ断面也称第二临界断面 ，
橄榄形流场由三部分组成： 射流出口至断面Ⅰ-Ⅰ为自由扩张段
Ⅰ-Ⅰ断面至Ⅱ-Ⅱ断面为有限扩张段
Ⅱ-Ⅱ断面至Ⅳ-Ⅳ为收缩区段
二、有限空间射流动力特征与半经验公式
有限空间射流研究起来较自由射流困难得多。 有限空间射流不同于自由射流的重要特征是橄榄形边界 外部与固体边壁形成与射流方向相反的回流区。而空调工程 中，工作区通常就设在回流区内，因此对其风速需要限制。 计算回流区速度v 的半经验公式:
三、射流的动力特征
射流过流断面间的动量变化规律为射流的动力特征。
实验表明，射流中任意一点上的压强均等于周围气体的 压强。根据动量方程可以导出，射流各断面上的动量相等。 这就是射流的动力特征。
三、射流的动力特征
以圆断面射流为例，它的任意断面上的动量可表示为
Q0 v0 r v 2 u 2 y dy
得： 令
（3）起始段质量平均温差∆T2 将起始段的 qv 0 / qv代入T2 / T0 qv 0 / qv ，即得起始段 质量平均温差计算式为
T2 qv 0 T0 qv
1 as as 1 0 .76 1 .32 r0 r 0
2
二、射流弯曲
质量平均流速为轴心流速的 47％。因此用v2 代表使用区 v2 ：不仅在数值上 v1 、 的流速要比 v1 更合适些。但必须注意， 不同，更重要的是在定义上根本不同，不可混淆。
五、起始段核心长度 Sn 及核心收缩角
r0 s n 0.672 a
r0 tg 1.49a sn
§6-4 平面射流
一、有限空间射流结构
C ：漩涡中心
Ⅰ-Ⅰ断面也称第一临界断面， Ⅱ-Ⅱ断面也称第二临界断面 ，
橄榄形流场由三部分组成： 射流出口至断面Ⅰ-Ⅰ为自由扩张段
Ⅰ-Ⅰ断面至Ⅱ-Ⅱ断面为有限扩张段
Ⅱ-Ⅱ断面至Ⅳ-Ⅳ为收缩区段
二、有限空间射流动力特征与半经验公式
有限空间射流研究起来较自由射流困难得多。 有限空间射流不同于自由射流的重要特征是橄榄形边界 外部与固体边壁形成与射流方向相反的回流区。而空调工程 中，工作区通常就设在回流区内，因此对其风速需要限制。 计算回流区速度v 的半经验公式:
三、射流的动力特征
射流过流断面间的动量变化规律为射流的动力特征。
实验表明，射流中任意一点上的压强均等于周围气体的 压强。根据动量方程可以导出，射流各断面上的动量相等。 这就是射流的动力特征。
三、射流的动力特征
以圆断面射流为例，它的任意断面上的动量可表示为
Q0 v0 r v 2 u 2 y dy
得： 令