Page 103 - 2022年第53卷第12期

４ 基于 ＰＯＤ的流场诊断结果

４．１ 流场湍动能贡献 分别对不同流量时，不同环隙宽度情况下的特征子午面流场进行本征正交分
解。经多次试验研究选定，当每一分解采用 ５００张快照、快照时间间隔为 ０．００２ｓ时，能够捕捉环隙
流场内不同尺度的湍流结构。所得多尺度湍流结构按照脉动能量大小排序，以该流场中总的脉动能量
无量纲化所得多尺度湍流结构的湍动能贡献如图 ４所示，散点表示各模态能量贡献，其坐标值位于图
４左侧；曲线表示模态累积贡献，其坐标位于图 ４右侧。

图 ４ 各阶模态占比与累积贡献

同一流量时的累积模态曲线总是环隙宽度较大的收敛速度较快（Ｂ ＝ ２０ｍｍ＞Ｂ ＝ １５ｍｍ＞Ｂ ＝ １０ｍｍ）。
３
流量 Ｑ ＝ ４０ｍ ?ｈ时，Ｂ ＝ ２０ｍｍ的前 ４０阶模态占流场 ９９％ 的脉动能量，Ｂ ＝ １５ｍｍ是前 ６０阶占 ９９％，
３
Ｂ ＝ １０ｍｍ是前 ８０阶模态占 ９９％；流量 Ｑ ＝ ５０ｍ ?ｈ时，收敛速度有所变化，捕捉 ９９％ 流场脉动能量
的模态数略有改变：Ｂ ＝ ２０ｍｍ的前 ４６阶模态占流场 ９９％的脉动能量、Ｂ ＝ １５ｍｍ则是前 ６０阶、Ｂ ＝
３
１０ｍｍ是前 ７５阶模态占 ９９％；流量 Ｑ ＝ ６０ｍ ?ｈ时，Ｂ ＝ ２０ｍｍ时前 ４０阶模态占流场 ９９％的脉动能量，
Ｂ ＝ １５ｍｍ则是前 ６０阶，Ｂ ＝ １０ｍｍ是前 ７５阶模态占流场 ９９％的脉动能量。如图中散点所示环隙流场
各阶模态占比，环隙宽度较大时前 １０阶模态的占比在同一流量时往往较大，环隙宽度较大的流动其
特征长度较大，边界对湍流脉动的限制相对较小，使得湍流脉动有较大的能量。
４．２ 流场拟序结构
（１）流场经过本征正交分解后，脉动能量贡献占比较大的模态一般被认为是流场中较大尺度的拟
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序结构，这些较大尺度的拟序结构决定了流场的湍动形式与湍动分布。图 ５中给出了流量 Ｑ＝ ４０ｍ ?ｈ
时不同环隙宽度条件下的前两阶模态时的拟序结构分布，可以代表环隙流场在特征子午面内的较大尺
度湍流结构，这些湍流结构在特征子午面内呈现出沿流动方向正负交替的拟序涡形式。不同环隙宽度
时环隙流场拟序涡的 流 向 脉 动 速 度 幅 值 范 围 为 ０～２ｍ?ｓ，展 向 脉 动 速 度 幅 值 范 围 为 ０～１ｍ?ｓ（Ｂ＝
２０ｍｍ、Ｂ ＝ １５ｍｍ ），０～０．５ｍ?ｓ（Ｂ ＝ １０ｍｍ ）；流向脉动速度受环隙宽度的影响并不大，但展向脉动速
度随着环隙宽度 Ｂ变小而有明显降低。环隙流场前部到环隙流场中部，拟序涡的特征长度沿流程有着
明显的增长（从展向约 ０．３Ｂ～０．５Ｂ增长到 ０．９Ｂ～１Ｂ），相邻拟序涡展向特征长度的成长率约为 １．２～
１．５，其流向特征长度也有相似幅度的成长；３个环隙宽度工况时的拟序涡在流向与展向都有着不同的
变形程度，拟序涡在流向的变形程度 Ｂ ＝ １５ｍｍ＞ Ｂ ＝ ２０ｍｍ＞ Ｂ ＝ １０ｍｍ ，在展向的变形程度 Ｂ ＝ １０ｍｍ＞
Ｂ ＝ １５ｍｍ＞Ｂ ＝ ２０ｍｍ。环隙流场后部，在环隙宽度 Ｂ＝ ２０ｍｍ时有明显拟序涡存在，但 Ｂ＝ １５ｍｍ、
Ｂ ＝ １０ｍｍ时后部流场已无明显可辨的拟序涡存在，并且此处的脉动速度幅值仅为流场最大脉动速度
幅值的 １?１０～１?５，说明环隙宽度较小时，环隙流场大尺度拟序结构相对更集中于环隙流场前部以及中
部，环隙后部流场随环隙宽度变小，拟序涡更易破碎并耗散。
（ ２）环隙流场特征子午面内第一阶与第二阶能量模态占比有所不同，除此之外，前两阶模态的拟
序涡形态具有高度的相似性。特征子午面内第一模态的任一可辨识拟序涡，与对应的第二模态内的某
一拟序涡形态十分相似，仅是在位置上沿流动方向有所延后并且拟序涡速度方向相反。这一现象与经
典圆柱绕流尾迹流场中的前两阶模态现象较为类似：第二模态的拟序涡比第一模态的拟序涡延后半个

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