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性进行量化的研究方法。其原理是在缝隙流动中监测不同空间点处的压强脉动，根据动水压强与湍流
附加应力的相关关系即可定性表示湍流附加应力，并且动水压强的脉动频率就是该空间点处流体振动
的频率。李爱华等 ［１２ － １３］ 对消力池底板缝隙流动研究中的两种模型进行了对比分析，认为一般缝隙中瞬
变流模型较为适用。马斌等 ［１４ － １５］ 对异型构造底板缝隙流动从缝隙水流脉动压力的角度分析了键槽的增
设对增强底板稳定性的意义。Ｌａｉｍａ等 ［１６］ 对双箱梁之间的缝隙流场的涡脱落模式进行了研究，发现缝
隙流动中的湍流强度较小时流致振动的幅度较大。孙建等 ［１７ － １８］ 研究了水垫塘在排水失效和底板块锚固
失效下，底板缝隙的动水压力随底板缝隙宽度及不同止水破坏程度的变化规律。但这种监测动水压力
进行缝隙流动非定常特性研究的方法一般只能在壁面处布置测点，所得测量结果并非全流场的结果，
并且无法定量描述湍流附加应力。
该研究首次引入了本征正交分解方法对水力机械内具有动边界的环形缝隙流场进行诊断分析 ［１９］ ，
一方面可以对缝隙流动远离壁面处的湍流脉动进行监测，从而量化流场的湍流附加应力；另一方面对
本征正交分解的快照矩阵进行时域—频域变换可得到量化流场流体振动特征的功率谱密度函数，这是
研究近壁流动非定常特性的较好方法 ［２０ － ２１］ 。

２ 试验方法

２．１ 试验系统与测试方法
（１）试验设置：本试验基于囊体管道水力输送系统，囊体为圆柱体，其被运输时受有压管道来流
作用在管道内做轴向运动，因此在囊体侧壁与管道内壁之间形成了动边界环形缝隙流场，如图 １（ａ）所
示为环形缝隙流场示意图。输送管段为内径 Ｄ ＝ １００ｍｍ 的平直管段（内半径为 Ｒ ），囊体的直径 Ｄ Ｃ
Ｐ
Ｐ
分别为 ６０、７０、８０ｍｍ（半径为 Ｒ ），囊体长度为 Ｌ ＝ １５０ｍｍ ，为保证囊体运动时与管道始终同心，在
Ｃ
囊体两侧各添加 ３个直径为 ４ｍｍ的细长圆柱销。该试验设置变量为来流流量与环隙宽度：共设置 ３
３ － １
个工况流量 Ｑ分别为 ４０、５０、６０ｍ ｈ ，３种直径的囊体所对应的环隙宽度分别为 Ｂ＝ ２０ｍｍ（Ｄ ＝
Ｃ
６０ｍｍ ）、Ｂ ＝ １５ｍｍ （Ｄ ＝ ７０ｍｍ ）与 Ｂ ＝ １０ｍｍ （Ｄ ＝ ８０ｍｍ ）。使用囊体长度 Ｌ将环形缝隙流场的流向
Ｃ
Ｃ
长度 Ｌ 无量纲化，并使用环形缝隙宽度 Ｂ ＝ Ｒ － Ｒ 将环形缝隙流场展向长度 Ｌ 无量纲化。流场沿流
流向 Ｐ Ｃ 展向
向（轴向）的速度为 ｗ，沿展向（径向）的速度为 ｕ，沿侧向（周向）的速度为 ｖ。在试验条件范围内，以
环形缝隙流场断面平均速度 Ｖ为特征速度，以环形 缝 隙流 场宽 度 Ｂ为 特征 长度 确定 的雷 诺 数处于
ａ
３９０００～６００００之间，属于完全发展的湍流状态。
环形缝隙流场由于在周向具有旋转对称的边界条件，类比地球子午面概念，测试时选择以管轴线
为轴的一系列通过轴的面作为特征断面，以下简称特征子午面，如图 １（ｂ）所示为流场特征断面与几
何参数。环形缝隙流场沿流程划分为 ３个部分，分别是前部、中部、后部。物理试验系统如图 １（ｃ）
所示共分为 ５部分，分别为：首部装置、输送管段、测试管段、尾部装置和循环水箱。其中：首部装
置提供稳定的有压流场、输送管段用于连接试验系统各部分进行供水、测试管段用于流场的测试、尾部
装置用于回收囊体以及水流、循环水箱用于使系统水流循环使用。流场测试通过粒子图像测速仪系统
（ＰＩＶ）进行。ＰＩＶ设置参数见表 １，其布置如图 １（ｄ）所示。
（ ２）试验流程：试验时，先将囊体经过投放装置投入到管道系统内；关闭投放装置使系统密闭、
开启动力装置提供有压管道流场；调节调流阀将流量调整至预定工况；待电磁流量计读数稳定后释放
囊体。囊体在有压管道流场作用下经历一个短暂加速阶段后达到稳定速度运动阶段；在囊体到达测试
管段之前开启 ＰＩＶ系统的激光与 ＰＩＶ高速相机，连续对测试断面进行拍摄得到初始流场数据。当囊体
运动到尾部装置后进行囊体的回收，结束一个试验流程。
（３）结果与处理：试验结果分为两部分，一部分为 ＰＩＶ拍摄的流场数据结果，另一部分为其它仪
器所测得结果。其中，ＰＩＶ拍摄结果使用其系统自带后处理程序进行处理：首先将同一工况下的流场
初始数据样本进行算术平均处理获取流场的背景边界；其次将该工况所有数据样本减去该背景边界，
保留测试断面的缝隙流场数据；再通过 ＡｄａｐｔｉｖｅＰＩＶ进行互相关运算（Ｃｒｏｓｓ － ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）；最后将两个

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