付 豪 ，何創(chuàng)新,*，劉應(yīng)征

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所，上海 200240

2.上海交通大學(xué) 燃?xì)廨啓C(jī)研究院，上海 200240

0 引 言

旋進(jìn)射流被廣泛應(yīng)用于燃燒室中，用于降低NOx排放以及改善火焰穩(wěn)定性[1-2]。而低旋流（Low swirl）燃燒作為一種新穎的貧預(yù)混燃燒技術(shù)，與無旋和高旋流燃燒相比，具有更低的NOx排放[3-5]。實(shí)際上，旋進(jìn)與旋流兩者的結(jié)合在預(yù)混燃燒室中更加普遍。無旋射流經(jīng)過噴嘴流入大的軸對稱腔體時(shí)會發(fā)生偏轉(zhuǎn)并不對稱地再附到壁面，此后，射流會繞腔體軸線在整個(gè)腔體中旋進(jìn)。這種主要的旋進(jìn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)會在腔體內(nèi)部循環(huán)，對燃燒性能影響很大。毫無疑問，增加了旋流條件的旋進(jìn)射流，其流場結(jié)構(gòu)會變得更加復(fù)雜，并進(jìn)一步增強(qiáng)燃料摻混。因此，研究低旋流數(shù)旋進(jìn)射流的流場結(jié)構(gòu)對了解摻混機(jī)理和強(qiáng)化控制尤為重要。

針對無旋的旋進(jìn)射流，已經(jīng)有一些學(xué)者對其進(jìn)行了細(xì)致的研究。Nathan等[6]對旋進(jìn)射流進(jìn)行了詳細(xì)描述，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)是雙穩(wěn)態(tài)的（Bistable），在旋進(jìn)射流（Precessing Jet,PJ）模式和軸對稱射流（Axial Jet,AJ）模式之間間歇性地、隨機(jī)地切換。前者流場的特征是一個(gè)連續(xù)不穩(wěn)定的再附射流，同時(shí)腔體另一側(cè)存在一個(gè)強(qiáng)回流區(qū)；后者流場與普通軸對稱射流相同。由于流動(dòng)處于中性平衡狀態(tài)，任何不對稱和/或湍流波動(dòng)都會導(dǎo)致再附著點(diǎn)移動(dòng)，從而發(fā)生旋進(jìn)。當(dāng)射流開始沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)入腔室中的流體的不對稱性導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)壓力場產(chǎn)生。而再循環(huán)流體在腔體中逆流而上，其旋轉(zhuǎn)的方向與旋進(jìn)相反，從而保持凈角動(dòng)量等于零，同時(shí)極大地促進(jìn)了腔體內(nèi)部流場的摻混[7]。此后，一些研究聚焦于確定有利于旋進(jìn)射流的最佳幾何[2，8-9]。當(dāng)雷諾數(shù)Re>1.0× 104、膨脹比（腔體直徑D與噴嘴直徑d的比值）為5時(shí)，旋進(jìn)僅發(fā)生在腔體長徑比（腔體長度L與直徑D的比值）2.00～3.50的范圍內(nèi)，且當(dāng)長徑比為2.75時(shí)，旋進(jìn)現(xiàn)象最為明顯。然而過去的研究中，對腔體內(nèi)流場中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究較少。Wong等[10]利用相位平均激光多普勒測量技術(shù)確定了旋進(jìn)射流腔體的內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)PJ模式下的內(nèi)部速度場比AJ模式下衰減更快。Cafiero等[11]通過層析PIV測量并結(jié)合POD分析來描述內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)流場中前三階模態(tài)占主導(dǎo)作用，其中能量最大的前兩階模態(tài)與射流旋進(jìn)動(dòng)有關(guān)，而第三階模態(tài)則與軸向運(yùn)動(dòng)有關(guān)。Ceglia等[12]的研究則發(fā)現(xiàn)在旋進(jìn)中卷吸過程會影響大尺度相干結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)組織。

低旋流燃燒是一種利用低旋流的流場維持預(yù)混火焰穩(wěn)定的燃燒方式。最初是由香港理工大學(xué)的Chan等[13]在1992年發(fā)現(xiàn)的，他們將切向射流法產(chǎn)生的低旋流場應(yīng)用于CH4預(yù)混燃燒，發(fā)現(xiàn)流場中并沒有出現(xiàn)回流區(qū)，而預(yù)混火焰依然能夠維持穩(wěn)定，同時(shí)高溫?zé)煔獾耐Ａ魰r(shí)間縮短，降低了NOx排放。隨后美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的 Cheng[14]研究了低旋流燃燒的流場特性，結(jié)果表明低旋空氣流誘導(dǎo)的離心力作用在主流預(yù)混氣體上，導(dǎo)致主流速度逐漸降低，最終在燃燒器出口處形成發(fā)散流場（Diverging flow）。這種發(fā)散的流場具有幾個(gè)特性：1）氣流速度沿軸向逐漸衰減；2）火焰面穩(wěn)定在當(dāng)?shù)赝牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊扔诋?dāng)?shù)貧饬魉俣鹊奈恢茫?）湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c湍流強(qiáng)度呈線性對應(yīng)關(guān)系。

然而，目前對低旋流數(shù)旋進(jìn)射流流場的研究還比較有限。Dellenback等[15]發(fā)現(xiàn)低旋流數(shù)旋進(jìn)射流中旋進(jìn)方向與旋流方向相反，但并未對其流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。Markovich等[16]利用POD分析了受限空間低旋流火焰中的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)主要的相干結(jié)構(gòu)以傾斜的環(huán)渦形式出現(xiàn)，但其流場并未出現(xiàn)旋進(jìn)現(xiàn)象。為此，本文利用粒子圖像測速技術(shù)對3個(gè)不同低旋流數(shù)的旋進(jìn)射流流場進(jìn)行全場測量，在前面工作的基礎(chǔ)上[17]，著眼于利用本征正交分解（POD）提取流場中含能大尺度結(jié)構(gòu)，并對比分析流場中占主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及其演化過程。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用的射流循環(huán)系統(tǒng)如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)固定在一個(gè)大的玻璃水箱中，其尺寸長3000 mm、寬550 mm、深700 mm。該系統(tǒng)由潛水泵、變壓器、圓柱形沉降室、旋流器、軸對稱腔室和一些管路組成。流動(dòng)由安裝在水箱底部的潛水泵驅(qū)動(dòng)，通過變壓器可以調(diào)節(jié)流速。射流從內(nèi)徑為40 mm的圓管中流經(jīng)軸向旋流器，然后射入到軸對稱腔體中。實(shí)驗(yàn)裝置的幾何尺寸如圖1（b）所示。這里使用的旋流器與文獻(xiàn)[18]中使用的相同，內(nèi)徑d為40 mm。實(shí)驗(yàn)中選取了旋流數(shù)較小的3個(gè)旋流器（S= 0、 0.26和 0.41）。軸對稱腔體的長度L和內(nèi)徑D分別為550 mm和200 mm，膨脹比D/d=5， 腔體長徑比L/D=2.75。在實(shí)驗(yàn)中，將玻璃水箱里裝滿自來水以確保水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過軸對稱腔體的頂部。通過變壓器調(diào)節(jié)流速后保持不變，確保不同噴嘴流動(dòng)的雷諾數(shù)相同，根據(jù)旋流器內(nèi)徑d以及給水管中的平均速度U0求 得Re= 4.5×104。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和幾何尺寸Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup and geometric sizes

利用平面PIV測量了流向（x-y）平面內(nèi)的流場。實(shí)驗(yàn)中用密度為1.04 g/mm3的空心玻璃珠作為示蹤粒子，粒徑約為10 μm。照明光源為5 W的連續(xù)半導(dǎo)體激光器（波長532 nm），測試區(qū)片光源厚度約為1 mm。實(shí)驗(yàn)用高像素密度CCD相機(jī)（IPX 16M，IMPERX，USA）捕獲粒子的流動(dòng)，分辨率為4872 pixel×3248 pixel。PIV測量的區(qū)域從噴嘴出口延伸到腔體出口附近，由于激光強(qiáng)度的限制，照亮的區(qū)域有限，因此分別測量區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的速度場，如圖1（b）所示。它們的流向測量范圍分別為0～7d和5～14d。在實(shí)驗(yàn)中，相機(jī)以1 Hz的頻率對每個(gè)區(qū)域連續(xù)記錄了2000幅流動(dòng)圖像。使用標(biāo)準(zhǔn)的PIV互相關(guān)算法獲得瞬態(tài)速度場，其中判讀窗口大小為32 pixel×32 pixel，相鄰窗口重疊率為50%，空間矢量分辨率為1.4 mm×1.4 mm。數(shù)據(jù)處理過程中，還采用了窗口偏移、亞像素識別和失真校正技術(shù)，使得兩幅圖像間粒子位移測量誤差小于0.1 pixel。

2 結(jié)果與討論

為了確定低旋流數(shù)旋進(jìn)射流流場中的大尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對其速度場進(jìn)行了本征正交分解。POD的詳細(xì)信息（包括其基本原理以及數(shù)學(xué)程序）可以參考Sirovich[19]的文章。POD分解的目的是通過提取最高能量的特征模態(tài)對流場動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行描述。本文采用快照POD方法，分別對不同旋流數(shù)下、區(qū)域Ⅰ和Ⅱ中的1 000個(gè)瞬態(tài)場進(jìn)行POD分解，分解后得到1 000階模態(tài)和對應(yīng)的特征值。由于POD模態(tài)是流場能量最大化的一種形式，前幾階POD模態(tài)體現(xiàn)了流場中大尺度含能結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，因此分析前幾階模態(tài)的特性對了解流場的基本結(jié)構(gòu)具有重要意義。

圖2展示了不同旋流數(shù)下區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的前十階POD模態(tài)的能量分布（即歸一化后的特征值λn,n為階數(shù)）。從圖中可以看到，低模態(tài)具有較高的能量，且隨著模態(tài)階數(shù)的增加，特征值衰減很快，前六階模態(tài)之后能量占比迅速減少。在區(qū)域Ⅰ中，不同旋流數(shù)之間的模態(tài)能量分布比較明顯。無旋時(shí)，第一階模態(tài)能量占比約為11.4%，遠(yuǎn)超第二階模態(tài)能量占比的4.2%。而在旋流條件下，第一、二階模態(tài)的能量衰減隨旋流數(shù)增加而減弱。在旋流數(shù)為0.26和0.41時(shí)，第一、二階能量分別從13.0%衰減到7.4%和9.1%衰減到4.7%。這可能是由于旋流的存在，流場變得更加復(fù)雜，使得無旋時(shí)流場中占主導(dǎo)地位的大尺度結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)性下降。區(qū)域Ⅱ中的結(jié)果也體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。對比同一旋流數(shù)下區(qū)域Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域Ⅱ中，前兩階模態(tài)的能量較區(qū)域Ⅰ有所增加，說明非定常特性在下游區(qū)域的優(yōu)勢有所增強(qiáng)。

圖2 POD模態(tài)前十階特征值Fig.2 Eigenvalues of the first ten POD modes

由于前六階模態(tài)具有比較突出的能量，可以表征流場中的大尺度空間結(jié)構(gòu)，因此選取前六階模態(tài)進(jìn)行深入分析。圖3展示了無旋時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)的前六階模態(tài)，云圖表示流向脈動(dòng)速度（u'）大小。含能最高的第一階模態(tài)如圖3（a） 所示，圖中有兩個(gè)符號相反的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域，它們對稱分布在射流軸線的兩側(cè)。腔體上半部分正的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域表明流體從那里直接流向下游；腔室下半部分負(fù)的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域則表明該區(qū)域是回流。這說明旋進(jìn)導(dǎo)致流動(dòng)在測量平面里交替從一側(cè)流出、從另一側(cè)流入。圖3（b）中所示的第二階模態(tài)中，有兩個(gè)負(fù)的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域，說明區(qū)域Ⅰ基本全是回流，這種結(jié)構(gòu)可能與腔體壁面限制引起的大的回流有關(guān)。圖3（c）中所示的第三階模態(tài)中，區(qū)域Ⅰ末端有兩個(gè)符號相反的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域，與第一階模態(tài)相比，區(qū)域面積變??；同時(shí)在這兩個(gè)區(qū)域上游不遠(yuǎn)處出現(xiàn)了一個(gè)逆時(shí)針渦。兩個(gè)符號相反的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域同樣出現(xiàn)在第五階模態(tài)中，在圖3（e）中，這兩個(gè)區(qū)域向上游移動(dòng)；同時(shí)上游的逆時(shí)針渦消失，在上下兩側(cè)出現(xiàn)了兩個(gè)小的順時(shí)針渦。第三、五階模態(tài)可能代表旋進(jìn)起始位置附近的小尺度結(jié)構(gòu)。第四、六階模態(tài)表示的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難將它們與特定的物理機(jī)制相關(guān)聯(lián)，這是由于POD模態(tài)是按能量區(qū)分，某一模態(tài)可能是由多個(gè)物理現(xiàn)象疊加而得到。

圖3 旋流數(shù) S = 0 時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)的前六階模態(tài)Fig.3 The first six POD modes in zone Ⅰ at swirl number S = 0

為了更好地理解低旋流數(shù)旋進(jìn)射流大尺度結(jié)構(gòu)演變過程，利用前六階空間模態(tài)來重構(gòu)脈動(dòng)速度場。圖4展示了無旋時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)4個(gè)典型時(shí)刻的重構(gòu)脈動(dòng)速度場，為了更好地體現(xiàn)演變過程，原始瞬態(tài)速度（u）場也同時(shí)給出。從圖4（a）可以看到此時(shí)旋進(jìn)已經(jīng)發(fā)生，主流在距離噴嘴出口大約5d處開始向軸線下方偏轉(zhuǎn)，體現(xiàn)了旋進(jìn)時(shí)主流再附到壁面的過程。進(jìn)一步通過圖4（e）可以看到，在旋進(jìn)發(fā)生處存在兩個(gè)脈動(dòng)明顯的區(qū)域，導(dǎo)致流體從軸線下方流出，從上方流入。這種流動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域兩側(cè)同時(shí)形成了兩個(gè)順時(shí)針渦。這個(gè)結(jié)果與上面的第三階模態(tài)空間結(jié)構(gòu)比較相似，印證了之前推測：此結(jié)構(gòu)表征了旋進(jìn)起始區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外，從圖4（e）中可以清晰地看到射流剪切層中的相干渦結(jié)構(gòu)向下游發(fā)展，直至旋進(jìn)發(fā)生的區(qū)域，渦開始大幅度地向軸線兩側(cè)移動(dòng)。圖4（b）展示了旋進(jìn)更為強(qiáng)烈的一個(gè)階段，這一點(diǎn)是通過觀察主流偏轉(zhuǎn)另一側(cè)的回流速度大小來進(jìn)行判斷的。這一結(jié)論在圖4（f）中可以看得更加清晰。此時(shí)，速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域向上游發(fā)展并變得很大，幾乎占據(jù)了整個(gè)區(qū)域Ⅰ的后半部分，說明此時(shí)旋進(jìn)的起始位置開始向上游發(fā)展，下游整個(gè)區(qū)域幾乎都受到了旋進(jìn)的影響，導(dǎo)致流體從下半部分流出、上半部分流入。此時(shí)，剪切層中的相干渦結(jié)構(gòu)幾乎消失不見，說明旋進(jìn)會使剪切層中的渦結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致射流處于一個(gè)極度不穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4（c）和4（d）則體現(xiàn)了主流向另一側(cè)再附的過程，說明旋進(jìn)會導(dǎo)致主流在測量平面上下來回?cái)[動(dòng)，而不是僅僅再附到一側(cè)，這是由于再附點(diǎn)的周向不穩(wěn)定性造成的[6]；而從圖4（g）和4（h）中可以看到，在旋進(jìn)過程中，剪切層渦不再向兩側(cè)移動(dòng)，而是在軸線附近交替扭曲著向下游發(fā)展。

圖4 原始流場（a）-（d）及重構(gòu)脈動(dòng)速度場（e）-（h）云圖（旋流數(shù) S = 0，區(qū)域Ⅰ）Fig.4 Contour plot of (a)-(d) the original field and (e)-(h) the reconstructed fluctuating velocity field (swirl number S = 0, zone Ⅰ)

圖5是對無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的流場進(jìn)行POD分解后得到的前六階空間模態(tài)。圖5（a）中的第一階模態(tài)與區(qū)域Ⅰ中的第一階模態(tài)流場結(jié)構(gòu)十分相似，都有兩個(gè)大的符號相反的速度脈動(dòng)明顯的區(qū)域，它們幾乎對稱分布在軸線兩側(cè)，表明流動(dòng)從一側(cè)流出、從另一側(cè)流入。相同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)表明它們表征同一個(gè)物理現(xiàn)象，即旋進(jìn)現(xiàn)象。在圖5（b）中的第二階模態(tài)中，軸線中心下游處存在明顯的正速度波動(dòng)區(qū)域，說明該結(jié)構(gòu)表征遠(yuǎn)場中強(qiáng)烈的流向振蕩。對于圖5（c）中的第三階模態(tài)，其流動(dòng)與旋進(jìn)非常相似：流體在靠近腔室壁面的位置流出，導(dǎo)致環(huán)境流體從腔室出口的中間流入，其整體結(jié)構(gòu)是軸對稱的，這可能是由于該模態(tài)結(jié)構(gòu)是旋進(jìn)模態(tài)與軸對稱模態(tài)疊加的結(jié)果。從圖5（d）和5（f）中可以觀察到第四、六階模態(tài)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)十分相似，通常這種成對的POD模態(tài)是由對流引起的，并且這兩階模態(tài)代表的是相同的結(jié)構(gòu)，僅僅流向上有空間位移。在第四階模態(tài)中，x/d=8.0和12.5處中心位置分別出現(xiàn)了逆時(shí)針和順時(shí)針的旋渦結(jié)構(gòu)；而在第六階模態(tài)中，x/d=7.0、10.5和14.0處中心位置分別出現(xiàn)了順時(shí)針、逆時(shí)針和順時(shí)針旋渦結(jié)構(gòu)。因此，這對耦合的POD模態(tài)表征了剪切層中的大尺度旋渦結(jié)構(gòu)，而這些旋渦結(jié)構(gòu)與內(nèi)射流（Inner jet）的大尺度振蕩有關(guān)[20]。

圖5 旋流數(shù) S = 0 時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的前六階模態(tài)Fig.5 The first six POD modes in zone Ⅱ at swirl number S = 0

圖6是對無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ利用前六階POD模態(tài)重構(gòu)的脈動(dòng)速度場及其相對應(yīng)的原始瞬態(tài)場。圖6（a）～（d）中4個(gè)不同時(shí)刻的瞬態(tài)流場給出了旋進(jìn)射流在靠近腔體出口區(qū)域再附到腔體壁面并在流向平面上來回?cái)[動(dòng)的過程，這個(gè)擺動(dòng)過程中還伴隨著扭曲，這是因?yàn)樯淞髟谙掠未嬖谥鴱?qiáng)烈的振蕩。在圖6（e）和6（h）中，一正一負(fù)脈動(dòng)明顯的區(qū)域幾乎占據(jù)整個(gè)腔體，此時(shí)腔體內(nèi)的流體與腔體出口附近的流體形成一個(gè)大的循環(huán)：腔體內(nèi)流體再附到一側(cè)壁面并沿著壁面流出，導(dǎo)致腔體出口附近的流體從另一側(cè)流入腔體。圖6（f）和6（g）則體現(xiàn)了旋進(jìn)從腔體一側(cè)壁面發(fā)展到另一側(cè)壁面的過程。此過程中脈動(dòng)明顯的區(qū)域變小，且脈動(dòng)強(qiáng)度較再附到壁面時(shí)有所減弱，說明旋進(jìn)射流再附到壁面時(shí)，同周圍流體摻混的效果最好。此外，區(qū)域Ⅱ里流動(dòng)結(jié)構(gòu)相對區(qū)域Ⅰ簡單，沒有旋渦結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樾M(jìn)在下游的發(fā)展更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致剪切層內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)被完全破壞。

圖7是對旋流數(shù)為0.26時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)的流場進(jìn)行POD分解后得到的前六階空間模態(tài)。圖7（a）中的第一階模態(tài)與無旋時(shí)區(qū)域Ⅰ的第一階模態(tài)相似，說明這兩個(gè)旋流數(shù)下區(qū)域Ⅰ流場內(nèi)占主導(dǎo)地位的流場結(jié)構(gòu)是相同的，即旋進(jìn)。但與無旋時(shí)相比，圖7（a）中兩個(gè)脈動(dòng)明顯區(qū)域的位置更靠近噴嘴出口，說明旋進(jìn)發(fā)生的起始位置向上游移動(dòng)。而圖7（b）和7（c）中的第二、三階模態(tài)不再同無旋時(shí)區(qū)域Ⅰ對應(yīng)的模態(tài)相似，反而與無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ的第二、三階模態(tài)相似，分別表示射流遠(yuǎn)場的流向振蕩以及旋進(jìn)射流兩種模式的疊加。這可能是由于旋流使軸向速度衰減加劇，從而導(dǎo)致此時(shí)區(qū)域Ⅰ的位置相當(dāng)于無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ的位置。而在第四至六階模態(tài)中，并沒有像無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)一樣存在一對模態(tài)，這也是由于旋流的存在導(dǎo)致軸向速度衰減，使得射流自身的大尺度振蕩減弱。

圖8是對旋流數(shù)為0.26時(shí)區(qū)域Ⅰ利用前六階POD模態(tài)重構(gòu)的脈動(dòng)速度場及其相對應(yīng)的原始瞬態(tài)場。從圖8（a）～（d）中可以清楚地看到旋流數(shù)為0.26時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)旋進(jìn)流場的演變過程：射流在平面內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。與無旋時(shí)相比可以看到，旋流數(shù)為0.26時(shí)，旋進(jìn)起始位置向上游移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致射流幾乎在區(qū)域Ⅰ的尾端再附到壁面上。此時(shí)射流的偏轉(zhuǎn)角度也有所增加。此外，在圖8（b）中還發(fā)現(xiàn)了無旋時(shí)沒有的一個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象：此時(shí)射流的主流是向下側(cè)偏轉(zhuǎn)，而下游的發(fā)展并不是同主流一樣偏轉(zhuǎn)到下側(cè)直至再附到腔體壁面，而是向上側(cè)發(fā)展。從圖8（f）中可以看到，上游剪切層中旋渦結(jié)構(gòu)還未被破壞，而到了x/d>3.0的區(qū)域后，剪切層被完全破壞。這說明此時(shí)上游未處于旋進(jìn)狀態(tài)，下游卻處于旋進(jìn)狀態(tài)。這也體現(xiàn)了旋進(jìn)射流在旋進(jìn)模式和軸對稱模式之間混亂地切換，導(dǎo)致流場變得十分復(fù)雜[6]。

圖8 原始流場（a）-（d）及重構(gòu)脈動(dòng)速度場（e）-（h）云圖（旋流數(shù) S = 0.26，區(qū)域Ⅰ）Fig.8 Contour plot of (a)-(d) the original field and (e)-(h) the reconstructed fluctuating velocity field ( S = 0.26, zone Ⅰ)

圖9是對旋流數(shù)為0.26時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的流場進(jìn)行POD分解后得到的前六階空間模態(tài)?？梢钥吹剿心B(tài)在x/d>8.0的區(qū)域幾乎沒有脈動(dòng)明顯的區(qū)域，這可能是旋流引起的軸向速度衰減引起的。第一、二階模態(tài)與區(qū)域I的結(jié)果比較相似，分別代表旋進(jìn)和流向振蕩。而第三、四階模態(tài)中，未發(fā)現(xiàn)比較明顯的結(jié)構(gòu)，雖然有脈動(dòng)明顯的區(qū)域，但很難與某一物理現(xiàn)象相結(jié)合。在第五階模態(tài)中，可以看到兩個(gè)正的脈動(dòng)明顯區(qū)域之間存在一個(gè)負(fù)的明顯脈動(dòng)，從而產(chǎn)生了兩個(gè)方向相反的旋渦，第六階模態(tài)稍下游的位置也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是同一對流結(jié)構(gòu)。這一對流結(jié)構(gòu)明顯與無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ中射流自身的振蕩不同，是由于旋流產(chǎn)生的一些旋渦結(jié)構(gòu)向下游發(fā)展輸運(yùn)的結(jié)果。

圖9 旋流數(shù) S = 0.26 時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的前六階模態(tài)Fig.9 The first six POD modes in zone Ⅱ at swirl number S = 0.26

圖10是對旋流數(shù)為0.26時(shí)區(qū)域Ⅱ利用前六階POD模態(tài)重構(gòu)的脈動(dòng)速度場及其相對應(yīng)的原始瞬態(tài)場。瞬態(tài)場的演變及相對應(yīng)的流場結(jié)構(gòu)與無旋時(shí)區(qū)域Ⅱ的差別不大，這是因?yàn)樾M(jìn)在下游比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致射流剪切層被完全破壞，流場中的大尺度結(jié)構(gòu)均與旋進(jìn)相關(guān)，即一正一負(fù)脈動(dòng)明顯的區(qū)域，導(dǎo)致流體從腔體一側(cè)流出從另一側(cè)流入。與無旋時(shí)相比，此時(shí)的脈動(dòng)速度強(qiáng)度有所增加，這也說明了旋流的存在會增強(qiáng)旋進(jìn)的強(qiáng)度。

圖10 原始流場（a）-（d）及重構(gòu)脈動(dòng)速度場（e）-（h）云圖（旋流數(shù) S = 0.26，區(qū)域Ⅱ）Fig.10 Contour plot of (a)-(d) the original field and (e)-(h) the reconstructed fluctuating velocity field ( S = 0.26, zone Ⅱ)

圖11和12分別是對旋流數(shù)為0.41時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)的流場進(jìn)行POD分解后得到的前六階空間模態(tài)以及用前六階POD模態(tài)重構(gòu)的脈動(dòng)速度場及其相對應(yīng)的原始瞬態(tài)場。可以看到，當(dāng)旋流數(shù)為0.41時(shí)，區(qū)域Ⅰ中的前六階空間模態(tài)均能在無旋時(shí)或者旋流數(shù)為0.26時(shí)找到相似的模態(tài)，這里不做詳細(xì)分析。但對比不同旋流數(shù)下結(jié)構(gòu)相似的模態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，隨著旋流數(shù)的變化，這些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位置向上游移動(dòng)，這也是由于旋流引起流向速度衰減導(dǎo)致的。同時(shí)從瞬態(tài)場可以看出，隨旋流數(shù)增加，旋進(jìn)起始位置向上游移動(dòng)且旋進(jìn)的偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

圖11 旋流數(shù) S = 0.41 時(shí)區(qū)域Ⅰ內(nèi)的前六階模態(tài)Fig.11 The first six POD modes in zone Ⅰ at swirl number S = 0.41

圖12 原始流場（a）-（d）及重構(gòu)脈動(dòng)速度場（e）-（h）云圖（旋流數(shù) S = 0.41，區(qū)域Ⅰ）Fig.12 Contour plot of (a)-(d) the original field and (e)-(h) the reconstructed fluctuating velocity field ( S = 0.41, zone Ⅰ)

圖13和14分別是對旋流數(shù)為0.41時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的流場進(jìn)行POD分解后得到的前六階空間模態(tài)以及用前六階POD模態(tài)重構(gòu)的脈動(dòng)速度場及其相對應(yīng)的原始瞬態(tài)場。此時(shí)旋流數(shù)已經(jīng)大到使區(qū)域Ⅱ中脈動(dòng)明顯的區(qū)域位于與區(qū)域Ⅰ重疊的部分，而更下游區(qū)域的速度及其脈動(dòng)強(qiáng)度都非常小，沒有明顯的結(jié)構(gòu)，因此對區(qū)域Ⅱ的結(jié)果也不做詳細(xì)討論。

圖13 旋流數(shù) S = 0.41時(shí)區(qū)域Ⅱ內(nèi)的前六階模態(tài)Fig.13 The first six POD modes in zone Ⅱ at swirl number S = 0.41

圖14 原始流場（a）-（d）及重構(gòu)脈動(dòng)速度場（e）-（h）云圖（旋流數(shù) S = 0.41，區(qū)域Ⅱ）Fig.14 Contour plot of (a)-(d) the original field and (e)-(h) the reconstructed fluctuating velocity field (S = 0.41, zone Ⅱ)

3 結(jié) 論

本文利用PIV技術(shù)測量了3個(gè)不同旋流數(shù)下的旋進(jìn)射流流場，并結(jié)合本征正交分解提取流場中含能大尺度結(jié)構(gòu)，對比分析流場中占主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及其演化過程，得到以下結(jié)論：

1）通過POD方法成功提取了受限射流中大尺度旋進(jìn)現(xiàn)象導(dǎo)致的平面內(nèi)射流體上下振蕩的現(xiàn)象，而第一階POD模態(tài)能量的相對大小是旋進(jìn)現(xiàn)象強(qiáng)弱的標(biāo)志。

2）旋進(jìn)剛發(fā)生時(shí)，上游剪切層內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)尚未完全破壞，它們會一直向下游發(fā)展直至旋進(jìn)起始點(diǎn)附近后，開始隨著主流一起偏轉(zhuǎn)，而下游剪切層內(nèi)的大尺度結(jié)構(gòu)被完全破壞。

3）旋進(jìn)射流流場中既包含大尺度的旋進(jìn)現(xiàn)象，也包含普通射流中的流向振蕩以及縱向振蕩，而入口的旋流增強(qiáng)了射流自身振蕩，從而導(dǎo)致流場更加復(fù)雜，加速了大尺度結(jié)構(gòu)的破壞。