Page 102 - 2022年第53卷第12期

雷诺应力可以表示为空间 １点 ３个方向速度两两之间的二阶相关－ ρ ·ｕ·ｖ，－ ρ ·ｕ·ｗ，－ ρ ·ｖ·ｗ（其中 ρ
将其无量
为流体密度；ｕ，ｖ，ｗ为三维流速），本研究中沿用这一表达形式并通过计算壁面切应力 τ ｗａｌｌ
纲化，具体流程如下式所示。所得展向平均雷诺应力的沿程结果如图 ３所示，根据 ＰＩＶ设置展向相邻
两数据点间隔为 ０．６４ｍｍ。以环隙宽度 Ｂ为流动的特征长度，并以环隙流场横断面平均速度 Ｖ为特征
ａ
速度 ［７，９］ ，那么环隙流动的雷诺数 Ｒｅ与流场的壁面切应力 τ ｗａｌｌ 可以分别表示为：
－ １
Ｒｅ ＝ ρ ·Ｖ·Ｂ·μ （１１）
ａ
＝ ０ ．５·Ｃ·ρ ·Ｖ ２ （１２）
τ ｗａｌｌ ｆ ａ
－ １?７
式中：ρ 为流体密度；μ为流体的动力黏滞系数；Ｃ ＝ ０．０２６ Ｒｅ 为壁面切应力系数。则无量纲化的雷
ｆ
。
诺应力可以分别写作 τ ｕｖ ＝－ ρ ｕｖ? τ ｗａｌｌ ；τ ｕｗ ＝－ ρ ｕｗ? τ ｗａｌｌ ；τ ｖｗ ＝－ ρ ｖｗ? τ ｗａｌｌ
（ ２）总体来说，在各工况下环隙流场的雷诺应力呈现出在流场前部迅速增长、在流场中部维持一
定幅值并开始有了下降的趋势、在流场后部，雷诺应力主要趋势为沿程递减。其中主流沿径向的平均
、 ，分别高出了６～１４倍、
对流输运强度 τ ｕｗ 远大于同一工况时其它两个方向的平均对流输运强度 τ ｕｖ τ ｖｗ
４～７倍，由此可知在高雷诺数的环形缝隙流场中，主流主要是沿径向进行对流输运，其次是径向流沿
３
周向的对流输运，主流沿周向的对流输运强度相对较小。对于流量 Ｑ＝ ４０ｍ ?ｈ时，Ｂ ＝ １５ｍｍ时的环
隙流场 ３个方向雷诺应力最大值都大于环隙宽度 Ｂ ＝ １０ｍｍ以及 Ｂ ＝ ２０ｍｍ时的雷诺应力最大值；对于
３
流量 Ｑ ＝ ６０ｍ ?ｈ时，则是 Ｂ ＝ ２０ｍｍ时的雷诺应力较大，Ｂ ＝ １５ｍｍ与 Ｂ ＝ １０ｍｍ时的雷诺应力相对较
３
小且幅值相近；而对于流量 Ｑ ＝ ５０ｍ ?ｈ，并无某一环隙宽度时的雷诺应力始终较大。
（３）雷诺应力沿流程呈先增加后降低的变化趋势的原因：特征子午面内流场边界分别沿径向与流
向给予来流扰动，而边界条件沿周向近似旋转对称，在周向给予来流的扰动较小，导致雷诺应力中的
周向成分占比较低，这也说明对环隙流场简化为特征子午面进行分析较为合理。同时，扰动施加于环
隙流场入口并随主流向下游传播，在环隙前部与中部附近增长受到环隙外边界的限制出现最大幅值，
再向环隙流场中部及后部传播时，随着离入口的距离增加扰动逐渐减弱。

图 ３ 特征子午面沿程雷诺应力
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