依据粒子成像系统的性能特点和测量技术旋转射流的要 求，实验系统由以下6部分组成(测量系统见图1):1)PIV(Particle ImagingVelocimetry)系统，包 括：Ver. 6.1c同步器，二维移动坐标架，Laserpulse Mini Yag 12 激光源，PIVCAM10-30 CCD 摄相机。

　　

　　(2)柱塞泵：50 MPaX1 L/s。

　　

　　(3)EH Prowicl 70F流量计，量程为2L/s，精 度为0.5 %，用于检测和调整射流流量。

　　

　　配制聚丙烯酰胺(PAM，相对分子质量为（20! 24) X 106)浆体时，采取低速搅拌。为保证流体性能 一致，PAM浆体一次性使用。测速之前，预先在浆 体中均匀播撒粒径0.01!0.02 mm的标准空心玻 璃微珠作为流场的示踪粒子。示踪粒子的播撒浓度 以获取可靠的瞬时速度场为标准。实验测得瞬时流 场的有效速度矢量应占矢量总数的90%以上，以保 证测量结果的可靠性[1，2]。

　　

　　2实验结果及分析本实验的主要测量手段为二维PIV系统，因此 旋转射流的二维速度的测量必须分步进行。首先在 射流的轴对称面上测量射流的轴向和径向速度，然(4)射流喷嘴，直径办=6.8 mm，出口段长度 为1.5心，收缩段锥角为60%内嵌叶轮叶片出口倾 角为60°，叶片高度为8 mm。

　　

　　(5)满足CCD摄相光学要求的射流淹没封闭 系统，包括有机玻璃井筒（390 mm X 800 mm)和玻 璃水箱（400 mmX400 mmX600 mm)，45° 平面反光 镜，以及相应的升降台架等。

　　

　　(6)浆体配置水罐，其结构尺寸为2 mX1mX 0.8 m。

　　

　　模拟井筒的内径与喷嘴直径之比超过了 13:1，基本上真实地模拟了旋转射流在井眼中的流动状 况。在测量射流的轴对称剖面速度分量时，激光照 射面控制在射流的轴对称面上，CCD照相机布置在 与激光面相垂直的方向上；在测量射流横断面上的 流场时，激光布置在水平面上。在模拟井筒中放入后，将激光布置在水平面上，利用45°平面镜测量相 应喷距下射流横断面上的速度分量。

　　

　　2.1旋转淹没射流在轴对称面上的动力学特性 图2给出了 PAM浓度为0.1%、喷嘴出口中心 点速度M〇 = 31m/s时的射流轴对称面上的速度矢 量和相应的旋度等高线。从图中可以看出，在射流 的轴对称面内，射流速度和旋度均对称分布，旋度的 绝对值相对于轴线对称，方向相反。射流中心区域 的速度最大，速度梯度相对较小，轴线上的旋度值为 零;射流边界层处的速度梯度较大。最大速度梯度 位于射流喷嘴出口处的射流边界上，旋度最大值为 2360.35 m/(s，m)。沿射流流向，速度梯度随速度 值的降低而降低。

　　

　　图3为相应流场的轴向速度湍流强度等高线分 布图。由图看出，射流轴向速度的湍流度在流场中 的分布同样表现出对称性。在小喷距时湍流度高， 全流场内湍流度最大值为14. 46%，且位于射流喷 嘴出口的射流边界处。沿横向，射流中心区域湍流 度较低，边界层处的湍流度较高。沿流向，射流中心 区湍流度随喷距的变化不大，在11办范围内湍流 度随喷距的增大从4.13%降低到2.27%。这说明 由于射流边界层的流动速度梯度很大，不同层面上 流体微团之间的动量交换引起的瞬时速度波动也 大。射流径向速度及其湍流度都很小，全流场内径 向速度的最大值仅为喷嘴出口喷速的4%左右，相 对应的湍流强度不大于2%。

　　

　　旋转射流作为一种典型的空化射流，当加入 PAM后，射流产生空化的程度降低。这一点从实验 过程中射流产生的噪声以及激光投射后的散光程度 可以明确判断。在本实验过程中，控制喷嘴出口流 速约30m/s，在PIV测量参数调试阶段，射流流体 为清水时，射流则产生大量的空泡和强烈的高频噪 声。将清水替换为PAM浆体后，射流中的空泡和 噪声立即消失。这说明水射流中含有一定量的 PAM之后，抑制了射流的空化初生。高分子聚合物 对射流空化初生的影响主要包括两个方面：一是聚 合物降低了射流的压力脉动[3];二是粘性增加导致 雷诺数降低从而影响喷嘴内壁面上最小压力点位 置[4]。加入PAM后射流产生空化的程度降低，也 会影响旋转射流的速度分布。

　　

　　图3淹没旋转射流的轴向速度湍流场 2.2旋转淹没射流轴向速度的分布图4为不同喷距下，PAM浓度为0.1%的淹没 旋转射流的轴向速度横向分布曲线（图中为射 流轴向速度），其标准速度由喷嘴出口的最大速度进 行无因次化处理所得。

　　

　　图$旋转射流轴向速度横向分布 从图4可以看出，射流的轴向速度与未加PAM 时相比发生了较大的变化。旋转水射流轴向速度为2 4Q o; .-°--° 趣***M04024 2o om^./d〇

　　

　　~*-3. 94847 -*-4.45125 -*-4.95402 ■^-5- 45680 ■**-5. 9S958 -e-6.46235 H—6. 965132.94292 3, 44569 -3.94847—G—^m/d〇

　　

　　-^-0.42904 + CL 93181 ^*~L 43459 H 93736“M”型分布[5]，而该条件下出现了类似于非旋转射 流的轴向速度分布，射流中心线上的轴向速度最大。 浆体旋转射流轴向速度的这种变化与流体流经旋转 射流喷嘴时的空化程度相对应。

　　

　　为了考察射流轴向速度的自相似性，将不同位 置处的射流轴向速度用相应的等喷距射流轴线上的 轴向速度进行无因次处理，而半径坐标用与其对应 的喷距作无因次处理，从而得到轴向速度标准化后 的另一分布形式，见图5(喷距为4‘~11办）。图 中，Mz,0为喷距z处的射流中心速度。从图中可以 看出，不同喷距下（大于4心）的射流轴向速度横向 分布近似于同一条曲线。通过数据回归处理，得到"Z，0 = 2X10-V-2X10-4Z4 + 3.8X 10+3z3-0.0383z2 + 0.0952z +0.9395.(2)

　　

　　式中，ff=0.15165; r和z分别为半径位置和喷距位 置；为坐标点（z，r)处的轴向速度；Mz,0为对应 于坐标轴U，0)的轴向速度分量，其值可利用图4 数据回归所得。

　　

　　这样，利用式(1，2)即可计算整个自相似流场的 轴向速度，两式的适用范围为z>4c/0。式（1，2)的 相关系数分别为0.9574和0.998 6,基本可以满足 工程上的需要。喷距在4&以内时，射流处于过渡 发展阶段，轴向速度不具有自相似性。

　　

　　2.3旋转淹没射流径向速度的分布PAM浓度为0. 1%时淹没旋转射流的径向速 度较小(见图6,其中^,r为射流横向速度），但是沿 半径方向的分布规律却十分复杂。在全流场内时均 径向速度的最大值约为喷嘴出口轴向速度的4%， 且位于喷距为1.4办附近的射流断面上，其流动方 向是向着射流轴心的负向流动。该喷距下负向流动 几乎覆盖了整个断面。总体来看，射流的外围径向 速度为负值，流体向内流动，这是由旋转射流卷吸周 围流体引起方数据0-51.01.52,02.1标准半径r/也标准半径r/du图6旋转射流径向速度分布 在射流内部存在着径向速度为正值的一个核心 区域。随喷距的增加，该核心区的半径出现波动，但 总的趋势是随喷距的增大而增大。另外，不同喷距 横截面上的径向速度最大值也随喷距的增加发生波 动，总趋势是随喷距增加而减弱。在喷距为(2. 5 !

　　

　　3)c/0内，正的径向速度达到最大值，约为喷嘴出口 轴向速度的2%。沿流向到达4c/0喷距以后，径向 速度沿半径的分布逐渐稳定。喷距超过6&以后， 径向速度的绝对值小于喷嘴出口喷速的05%。

　　

　　旋转射流径向速度的大小及分布与射流向下游 运动时卷吸周围淹没流体产生的射流边界上切向涡 环的发展、合并，以及与射流旋转产生的压力场不均 匀有关。喷距不同时，切向涡环的速度不同导致射 流径向速度的波动变化。

　　

　　2.4旋转淹没射流切向速度的分布在测量旋转射流的切向速度分布时，必须针对 不同喷距逐个地进行射流横断面上的速度测量。为 了考察旋转射流的切向速度随喷距的变化，在（1 ! 10)办内共进行了 7个喷距位置射流横断面上的速 度测量。不同喷距下切向速度沿半径的分布趋势基 本相同。图7给出了距喷嘴出口 2办处整个射流横 断面上所有点的切向速度时均值（w为射流切向速 度）。图中相同半径不同方向位置的切向速度具有 一定的波动性，这是喷嘴加工造成的射流旋转不均 匀所致。总体上看，在旋转射流的内部存在一个旋 转的涡核。涡核内部的切向速度随半径呈线性增 加，射流中心的切向速度为零，涡核边界处的切向速 度最大，涡核外部的切向速度逐渐降低。距涡核近 处，射流切向速度迅速衰减；距涡核远处，射流以较 低的切向速度旋转。

　　

　　图7喷距为2d#断面上的切向速度 射流中旋转涡核的半径随喷距的变化趋势见图 8。从图8可以看出，当喷距小于3‘时，涡核尺寸 变化不大。喷距超过4&以后，涡核半径基本上与 喷距成正比增加。通过数据回归，涡核尺寸的增加 趋势为r/^=0.316(z/c^)-0.852。由其斜率得 到喷距4心以后涡核的锥角约为35°。

　　

　　图8旋转涡核半径与喷距的关系 涡核的旋转速度即断面上的最大切向速度随喷 距的变化见图9。实验发现，切向速度随喷距的变 化分为两个线性阶段。在喷距为4c/0以内，速度衰 减迅速，标准速度由喷距为1办处的0.35(即喷嘴 出口速度的35% )很快降到4c/0处的0.08。喷距为 4心以后的切向速度值已经很小，且随喷距增加逐 渐降低。涡核尺寸和切向速度的这一变化趋势进一 步说明了射流在4心以内为发展阶段，喷距大于 4办之后为稳定发展阶段，速度分布具有很好的自 相似性。淹没旋转射流的切向速度以及轴向速度的 实验结果证明了有关旋转射流速度自相似分布假设 是正确的[6]。

　　

　　3结论(1)采用先进的PIV速度测量系统进行淹没射 流速度分布结构研究是可行的。通过在同一流动条 件下测量大量的瞬时流场，可以获得稳定的时均速度分布。

　　

　　(2)聚合物对射流空化初生和旋转射流的轴向 速度分布有较大影响，在PAM浓度为0.1 %的实验 条件下，射流轴向速度的最大值仍出现在射流轴线上。

　　

　　(3)淹没旋转射流超过一定喷距后出现轴向速 度和切向速度的自相似区域，径向速度很小。这一 特点对于建立相对简明的理论模型有重要意义。

　　

　　(4)旋转射流的径向速度分布比较复杂，且相 对于轴向速度很小。在射流外部，流体向着射流轴 心方向流动;而在射流的内部存在着径向速度为正 值的核心体。

　　

　　(5)切向速度是旋转射流的固有特征。浓度为 0.1%的PAM浆体旋转射流的内部存在一个旋转 的涡核。喷距小于4‘时，涡核尺寸变化不大；喷 距大于4心时涡核呈锥体状，以35°锥角沿流向扩展。