当燃气射流以层流状态向上喷入静止空气中时，气流混合过程如图3—3—3。射流混合以分子扩散的方式进行。在内外边界线之间的层流混合边界层内，燃气分子从内边界向外边界扩散，而空气分子则从外边界线向内扩散。因此射流的外边界(1面)以外，是纯空气。射流内边界(5面)以内为纯燃气。稳定状态下，在由射流极点0引出的每一条射线上，燃气的浓度都是从5面往外逐渐降低的。因此，在每条射线上都可划分出燃气的5个浓度段，即：C_g=100％；100％～化学计量浓度；化学计量浓度；化学计量浓度～0％；C_g=0。
 

 

图3-3-3 层流射流混合过程

　　也就是说，在稳定的燃气层流自由射流中，由于分子扩散，会形成性质彼此不同的几个区域：
　　A——射流核心区；
　　B——比化学计量浓度更浓的燃气／空气混合区；
　　C——化学计量浓度区；
　　D——浓度低于化学计量的燃气／空气混合区；
　　E——燃气浓度等于0的区域。
　　点火以后，在射流中化学当量浓度区就会形成一层流扩散火焰。显然，这时火焰长度主要取决于与燃气的1昆合过程有关的各因素，主要是扩散混合的条件和燃气的体积流量等。

　　二、紊流自由射流

　　在工业燃烧器中，燃气流量较大，喷嘴孔径及喷出速度都较大，在喷嘴出口处即形成紊流自由射流。
　　射流自喷嘴出口以后，在紊流扩散过程中，内部有许多分子微团的脉动，引起射流与周围介质之间的质量和动量交换，使周围介质被卷吸。这样射流质量不断增加，流场的宽度亦不断扩展，而射流断面上速度则不断减小并逐渐均匀，同时在流宽度上形成各种不同浓度的混合物，如图3—3—4所示。
　　由于紊流扩散与分子扩散之间的相似性，所以紊流自由射流和层流自由射流的流场结构图形也十分相似，主要区别仅在于起始段内紊流自由射流截面速度较大，速度分布更趋均匀。
　　在层流自由射流和紊流自由射流中，由于气体分子或分子微团与周围介质间的自由碰撞，造成射流本身的动量损失，但同时也使周围介质获得动量而发生运动。因此，沿射流轴线方向，整个射流的动量和压力保持不变。这是自由射流的主要特点。
　　在紊流射流边界层内，可燃混合物在不同位置处的组成比例显然是不同的。与层流扩散火焰类似，它在着火时，也是在紊流扩散混合区浓度处于化学当量比的表面上形成火焰焰面。也就是说，紊流射流中燃烧区的位置也是完全由紊流扩散的条件来决定的，燃烧速度则由其扩散混合速度来确定。
　　研究表明，紊流自由射流的起始段长度s₀和极点深度h₀都与喷嘴出口半径有关：
 

　　式中 a——紊流结构系数，它表示气流紊动和出口速度场的不均匀程度。
　　在Re=20×10³～4×10⁶的范围内，系数a并不随Re变化，仅随原始速度不均匀程度的加剧而增大。对完全均匀的速度场(   

v_O——射流出口轴心速度；   

射流出口截面平均速度)，a=0．066；对自然紊动射流   

，a=0.08
　　射流轴心速度v_m的变化取决于喷嘴尺寸和射流出口速度。在起始段，轴心速度等于射流出口速度；其后，轴心速度沿程衰减，如图3—3—4。
 

 

图3-3-4 紊流自由射流

　　根据试验，圆形射流轴心速度的衰减规律如下：
 

 

 

　　式中 s——计算截面离喷嘴的距离。
　　圆形射流任一截面上无因次流量(q_v表体积流量)与距离的关系为：
 

　　自由射流中，各截面上的一切特性参数均为该截面上轴心速度的函数，而轴心速度则取决于喷嘴出口截面至该横截面的距离s，因此已知s和v₀、r、a即可直接算出各截面上所有的运动参数。