Page 106 - 2022年第53卷第12期

特征长度与流动特征速度都不再是影响湍动功率谱的主要因素，此时所余下的是高频的混乱无规则小
尺度湍流，其总体的功率谱随着环隙流场宽度变窄而降低。（ ３）环隙流场的功率谱密度函数的分区特
征原因主要在于：低频段代表的流场最大尺度脉动受到环隙宽度的限制程度随着环隙宽度减小而变
强，表现为功率谱（振幅）的减小，限制了大尺度脉动从主流中获取能量；中频段反而是随着环隙宽度
减小功率谱增大，该区域主要作用是从大尺度脉动获得能量向微尺度脉动传递，因此大于该频段尺度
的较大尺度脉动的尺度越小，这种传递作用就越容易发生；而到了高频段，由于环隙宽度较小时脉动
本身具有的功率谱较小，因此相对于环隙宽度较大的工况衰减较为严重。

图 ７ 环隙流场累积功率谱密度曲线

５ 结论

（１）首先环形缝隙流场的平均流动随着环隙宽度的减小其速度幅值明显上升；其次速度场在特征
子午面内呈现明显的分区趋势：前部有一明显的回流区，其沿展向向上则是主流区。流场前部的雷诺
应力迅速增长、在流场中部维持一定幅值、在流场后部迅速沿程递减。主流沿径向的平均对流输运强
度大于同一工况时径向流沿周向的对流输运强度 ４～７倍，大于主流沿周向的对流输运强度 ６～１４倍。
（ ２）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。（３）环隙流场的前数
阶模态代表了流场内较大尺度脉动的湍流结构，其所具有的动量输运强度较大、雷诺应力幅值较高。
其中，前 ５阶模态可以捕捉到平均流场 ６０％～８０％ 的雷诺应力；前 ２０阶模态可捕捉 ９５％ 以上的雷诺
应力。并且不同阶模态的贡献曲线反映了各模态时动量输运的峰值位置，使用低阶模态对雷诺应力进
行重构可以较好的估计流场的雷诺应力。（ ４）功率谱密度函数表示的流场流致振动频谱在同一流量时
有着较为明显的分区趋势。对于低频段（０～１０Ｈｚ）与高频段（１２０Ｈｚ以上）环隙宽度较小时功率谱密度
较大；对于中频段（ １０～１２０Ｈｚ）则是环隙宽度较大时功率谱密度较大。对于环隙流场，环隙宽度的减
小对于其较大尺度的流致振动抑制作用较强。

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