为将水射流更加有效地应用到工程实际中去,掌握一定的射流基础理论知识是相当必要的。研究射流的动力学特性及其结构,尤其是对高压水射流的研究,是流体力学中最复杂的内容之一。由于产生射流的压力及喷嘴性能千变万化,加之射流在周围介质中传播的复杂性及试验条件的局限,使得对射流特性及结构的研究并不十分充分。不过,对各种射流的现行试验研究已能对射流的形成及射流在空气中的传播过程(即非淹没自由射流)有一较全面地了解。
    射流是一种孔口或狭缝出流流动现象。工程所用水射流绝大多数是湍流流动,其实际结构和运动机理极其复杂,在流体力学理论分析上,其流动的基本图形是边界层流动。1974年日本学者Yanaida和Ohashi首先用几何图形描述了水射流的特征图,后来经众多学者的试验与丰富,该特征图成为如图2-6所示的国际上水射流学术界公认的射流结构图。

    在喷嘴出口处,射流的速度是均匀的,而射流一离开喷嘴就卷吸周围的介质,其与环境介质形成的边界层存在着极大的速度差,由此而产生一个垂直于射流轴心方向的力,该力与速度差成正比关系。在这些力及射流内部湍流波动的作用下,其与环境介质发生的质量与动量交换,使射流表面出现波状分离。其构成及波长依赖于射流排出工况。射流流体与环境介质的质量及动量交换过程也即是射流的传播与扩散过程。
    射流的扩散首先开始于射流表面并逐渐向轴心发展。因而,在距喷嘴定距离内就形成一锥形的等速流核区。射流核区内射流轴向动压力、流速及密度基本保持不变。射流的边界变宽、速度降低,从而使速度保持初始速度不变的区域也不断减少。速度等于零的边界称为射流外边界,射流速度保持初始速度的边界称为内边界,内外边界之间的区域为边界层。
    显然,边界层的宽度随着离开出口的靶距而不断扩张,导致射流中保持初始速度不变的区域不断减少,使更多的水卷入射流流动。当内边界线与射流轴线相交时,即射流截面上只有轴线上的速度为初始速度时称这个射流界面为转折面,在转折面之前,射流轴线上的速度始终保持初始速度不变;在转折面之后,射流轴心线上的速度开始逐渐衰减。
    在射流的外边界上,射流与周围介质相互作用将产生及不稳定的漩涡,这些大大小小的漩涡运动和分布都是杂乱无章的、随机的,在边界层内由于漩涡的运动使流体质点之间产生交换,交换的结果是:在射流边界层内产生沿射流横向和轴向的时均速度变化。
    图2-6中将射流分为初始段、基本段和消散段。
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