依據(jù)粒子成像系統(tǒng)的性能特點和測量技術(shù)旋轉(zhuǎn)射流的要 求，實驗系統(tǒng)由以下6部分組成(測量系統(tǒng)見圖1):1)PIV(Particle ImagingVelocimetry)系統(tǒng)，包 括：Ver. 6.1c同步器，二維移動坐標(biāo)架，Laserpulse Mini Yag 12 激光源，PIVCAM10-30 CCD 攝相機。
(2)柱塞泵：50 MPaX1 L/s。
(3)EH Prowicl 70F流量計，量程為2L/s，精 度為0.5 %，用于檢測和調(diào)整射流流量。
配制聚丙烯酰胺(PAM，相對分子質(zhì)量為（20! 24) X 106)漿體時，采取低速攪拌。為保證流體性能 一致，PAM漿體一次性使用。測速之前，預(yù)先在漿 體中均勻播撒粒徑0.01!0.02 mm的標(biāo)準(zhǔn)空心玻 璃微珠作為流場的示蹤粒子。示蹤粒子的播撒濃度 以獲取可靠的瞬時速度場為標(biāo)準(zhǔn)。實驗測得瞬時流 場的有效速度矢量應(yīng)占矢量總數(shù)的90%以上，以保 證測量結(jié)果的可靠性[1，2]。
2實驗結(jié)果及分析本實驗的主要測量手段為二維PIV系統(tǒng)，因此 旋轉(zhuǎn)射流的二維速度的測量必須分步進(jìn)行。首先在 射流的軸對稱面上測量射流的軸向和徑向速度，然(4)射流噴嘴，直徑辦=6.8 mm，出口段長度 為1.5心，收縮段錐角為60%內(nèi)嵌葉輪葉片出口傾 角為60°，葉片高度為8 mm。
(5)滿足CCD攝相光學(xué)要求的射流淹沒封閉 系統(tǒng)，包括有機玻璃井筒（390 mm X 800 mm)和玻 璃水箱（400 mmX400 mmX600 mm)，45° 平面反光 鏡，以及相應(yīng)的升降臺架等。
(6)漿體配置水罐，其結(jié)構(gòu)尺寸為2 mX1mX 0.8 m。
模擬井筒的內(nèi)徑與噴嘴直徑之比超過了 13:1，基本上真實地模擬了旋轉(zhuǎn)射流在井眼中的流動狀 況。在測量射流的軸對稱剖面速度分量時，激光照 射面控制在射流的軸對稱面上，CCD照相機布置在 與激光面相垂直的方向上；在測量射流橫斷面上的 流場時，激光布置在水平面上。在模擬井筒中放入后，將激光布置在水平面上，利用45°平面鏡測量相 應(yīng)噴距下射流橫斷面上的速度分量。
2.1旋轉(zhuǎn)淹沒射流在軸對稱面上的動力學(xué)特性 圖2給出了 PAM濃度為0.1%、噴嘴出口中心 點速度M〇 = 31m/s時的射流軸對稱面上的速度矢 量和相應(yīng)的旋度等高線。從圖中可以看出，在射流 的軸對稱面內(nèi)，射流速度和旋度均對稱分布，旋度的 絕對值相對于軸線對稱，方向相反。射流中心區(qū)域 的速度最大，速度梯度相對較小，軸線上的旋度值為 零;射流邊界層處的速度梯度較大。最大速度梯度 位于射流噴嘴出口處的射流邊界上，旋度最大值為 2360.35 m/(s，m)。沿射流流向，速度梯度隨速度 值的降低而降低。
圖3為相應(yīng)流場的軸向速度湍流強度等高線分 布圖。由圖看出，射流軸向速度的湍流度在流場中 的分布同樣表現(xiàn)出對稱性。在小噴距時湍流度高， 全流場內(nèi)湍流度最大值為14. 46%，且位于射流噴 嘴出口的射流邊界處。沿橫向，射流中心區(qū)域湍流 度較低，邊界層處的湍流度較高。沿流向，射流中心 區(qū)湍流度隨噴距的變化不大，在11辦范圍內(nèi)湍流 度隨噴距的增大從4.13%降低到2.27%。這說明 由于射流邊界層的流動速度梯度很大，不同層面上 流體微團(tuán)之間的動量交換引起的瞬時速度波動也 大。射流徑向速度及其湍流度都很小，全流場內(nèi)徑 向速度的最大值僅為噴嘴出口噴速的4%左右，相 對應(yīng)的湍流強度不大于2%。
旋轉(zhuǎn)射流作為一種典型的空化射流，當(dāng)加入 PAM后，射流產(chǎn)生空化的程度降低。這一點從實驗 過程中射流產(chǎn)生的噪聲以及激光投射后的散光程度 可以明確判斷。在本實驗過程中，控制噴嘴出口流 速約30m/s，在PIV測量參數(shù)調(diào)試階段，射流流體 為清水時，射流則產(chǎn)生大量的空泡和強烈的高頻噪 聲。將清水替換為PAM漿體后，射流中的空泡和 噪聲立即消失。這說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 對射流空化初生的影響主要包括兩個方面：一是聚 合物降低了射流的壓力脈動[3];二是粘性增加導(dǎo)致 雷諾數(shù)降低從而影響噴嘴內(nèi)壁面上最小壓力點位 置[4]。加入PAM后射流產(chǎn)生空化的程度降低，也 會影響旋轉(zhuǎn)射流的速度分布。
圖3淹沒旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度湍流場 2.2旋轉(zhuǎn)淹沒射流軸向速度的分布圖4為不同噴距下，PAM濃度為0.1%的淹沒 旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度橫向分布曲線（圖中為射 流軸向速度），其標(biāo)準(zhǔn)速度由噴嘴出口的最大速度進(jìn) 行無因次化處理所得。
圖$旋轉(zhuǎn)射流軸向速度橫向分布 從圖4可以看出，射流的軸向速度與未加PAM 時相比發(fā)生了較大的變化。旋轉(zhuǎn)水射流軸向速度為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]，而該條件下出現(xiàn)了類似于非旋轉(zhuǎn)射 流的軸向速度分布，射流中心線上的軸向速度最大。 漿體旋轉(zhuǎn)射流軸向速度的這種變化與流體流經(jīng)旋轉(zhuǎn) 射流噴嘴時的空化程度相對應(yīng)。
為了考察射流軸向速度的自相似性，將不同位 置處的射流軸向速度用相應(yīng)的等噴距射流軸線上的 軸向速度進(jìn)行無因次處理，而半徑坐標(biāo)用與其對應(yīng) 的噴距作無因次處理，從而得到軸向速度標(biāo)準(zhǔn)化后 的另一分布形式，見圖5(噴距為4‘~11辦）。圖 中，Mz,0為噴距z處的射流中心速度。從圖中可以 看出，不同噴距下（大于4心）的射流軸向速度橫向 分布近似于同一條曲線。通過數(shù)據(jù)回歸處理，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分別為半徑位置和噴距位 置；為坐標(biāo)點（z，r)處的軸向速度；Mz,0為對應(yīng) 于坐標(biāo)軸U，0)的軸向速度分量，其值可利用圖4 數(shù)據(jù)回歸所得。
這樣，利用式(1，2)即可計算整個自相似流場的 軸向速度，兩式的適用范圍為z>4c/0。式（1，2)的 相關(guān)系數(shù)分別為0.9574和0.998 6,基本可以滿足 工程上的需要。噴距在4&以內(nèi)時，射流處于過渡 發(fā)展階段，軸向速度不具有自相似性。
2.3旋轉(zhuǎn)淹沒射流徑向速度的分布PAM濃度為0. 1%時淹沒旋轉(zhuǎn)射流的徑向速 度較小(見圖6,其中^,r為射流橫向速度），但是沿 半徑方向的分布規(guī)律卻十分復(fù)雜。在全流場內(nèi)時均 徑向速度的最大值約為噴嘴出口軸向速度的4%， 且位于噴距為1.4辦附近的射流斷面上，其流動方 向是向著射流軸心的負(fù)向流動。該噴距下負(fù)向流動 幾乎覆蓋了整個斷面?？傮w來看，射流的外圍徑向 速度為負(fù)值，流體向內(nèi)流動，這是由旋轉(zhuǎn)射流卷吸周 圍流體引起方數(shù)據(jù)0-51.01.52,02.1標(biāo)準(zhǔn)半徑r/也標(biāo)準(zhǔn)半徑r/du圖6旋轉(zhuǎn)射流徑向速度分布 在射流內(nèi)部存在著徑向速度為正值的一個核心 區(qū)域。隨噴距的增加，該核心區(qū)的半徑出現(xiàn)波動，但 總的趨勢是隨噴距的增大而增大。另外，不同噴距 橫截面上的徑向速度最大值也隨噴距的增加發(fā)生波 動，總趨勢是隨噴距增加而減弱。在噴距為(2. 5 !
3)c/0內(nèi)，正的徑向速度達(dá)到最大值，約為噴嘴出口 軸向速度的2%。沿流向到達(dá)4c/0噴距以后，徑向 速度沿半徑的分布逐漸穩(wěn)定。噴距超過6&以后， 徑向速度的絕對值小于噴嘴出口噴速的05%。
旋轉(zhuǎn)射流徑向速度的大小及分布與射流向下游 運動時卷吸周圍淹沒流體產(chǎn)生的射流邊界上切向渦 環(huán)的發(fā)展、合并，以及與射流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力場不均 勻有關(guān)。噴距不同時，切向渦環(huán)的速度不同導(dǎo)致射 流徑向速度的波動變化。
2.4旋轉(zhuǎn)淹沒射流切向速度的分布在測量旋轉(zhuǎn)射流的切向速度分布時，必須針對 不同噴距逐個地進(jìn)行射流橫斷面上的速度測量。為 了考察旋轉(zhuǎn)射流的切向速度隨噴距的變化，在（1 ! 10)辦內(nèi)共進(jìn)行了 7個噴距位置射流橫斷面上的速 度測量。不同噴距下切向速度沿半徑的分布趨勢基 本相同。圖7給出了距噴嘴出口 2辦處整個射流橫 斷面上所有點的切向速度時均值（w為射流切向速 度）。圖中相同半徑不同方向位置的切向速度具有 一定的波動性，這是噴嘴加工造成的射流旋轉(zhuǎn)不均 勻所致?？傮w上看，在旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部存在一個旋 轉(zhuǎn)的渦核。渦核內(nèi)部的切向速度隨半徑呈線性增 加，射流中心的切向速度為零，渦核邊界處的切向速 度最大，渦核外部的切向速度逐漸降低。距渦核近 處，射流切向速度迅速衰減；距渦核遠(yuǎn)處，射流以較 低的切向速度旋轉(zhuǎn)。
圖7噴距為2d#斷面上的切向速度 射流中旋轉(zhuǎn)渦核的半徑隨噴距的變化趨勢見圖 8。從圖8可以看出，當(dāng)噴距小于3‘時，渦核尺寸 變化不大。噴距超過4&以后，渦核半徑基本上與 噴距成正比增加。通過數(shù)據(jù)回歸，渦核尺寸的增加 趨勢為r/^=0.316(z/c^)-0.852。由其斜率得 到噴距4心以后渦核的錐角約為35°。
圖8旋轉(zhuǎn)渦核半徑與噴距的關(guān)系 渦核的旋轉(zhuǎn)速度即斷面上的最大切向速度隨噴 距的變化見圖9。實驗發(fā)現(xiàn)，切向速度隨噴距的變 化分為兩個線性階段。在噴距為4c/0以內(nèi)，速度衰 減迅速，標(biāo)準(zhǔn)速度由噴距為1辦處的0.35(即噴嘴 出口速度的35% )很快降到4c/0處的0.08。噴距為 4心以后的切向速度值已經(jīng)很小，且隨噴距增加逐 漸降低。渦核尺寸和切向速度的這一變化趨勢進(jìn)一 步說明了射流在4心以內(nèi)為發(fā)展階段，噴距大于 4辦之后為穩(wěn)定發(fā)展階段，速度分布具有很好的自 相似性。淹沒旋轉(zhuǎn)射流的切向速度以及軸向速度的 實驗結(jié)果證明了有關(guān)旋轉(zhuǎn)射流速度自相似分布假設(shè) 是正確的[6]。
3結(jié)論(1)采用先進(jìn)的PIV速度測量系統(tǒng)進(jìn)行淹沒射 流速度分布結(jié)構(gòu)研究是可行的。通過在同一流動條 件下測量大量的瞬時流場，可以獲得穩(wěn)定的時均速度分布。
(2)聚合物對射流空化初生和旋轉(zhuǎn)射流的軸向 速度分布有較大影響，在PAM濃度為0.1 %的實驗 條件下，射流軸向速度的最大值仍出現(xiàn)在射流軸線上。
(3)淹沒旋轉(zhuǎn)射流超過一定噴距后出現(xiàn)軸向速 度和切向速度的自相似區(qū)域，徑向速度很小。這一 特點對于建立相對簡明的理論模型有重要意義。
(4)旋轉(zhuǎn)射流的徑向速度分布比較復(fù)雜，且相 對于軸向速度很小。在射流外部，流體向著射流軸 心方向流動;而在射流的內(nèi)部存在著徑向速度為正 值的核心體。
(5)切向速度是旋轉(zhuǎn)射流的固有特征。濃度為 0.1%的PAM漿體旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部存在一個旋轉(zhuǎn) 的渦核。噴距小于4‘時，渦核尺寸變化不大；噴 距大于4心時渦核呈錐體狀，以35°錐角沿流向擴展。