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第13卷第4期流体力学实验与测量Vol.13No.4
EXPERIMENTSAND
1999年12月MEASUREMENTSINFLUIDMECHANICSDec.1999

一种强螺旋流现象的实验研究

熊鳌魁,魏庆鼎
(北京大学湍流研究国家重点实验室,北京大学力学与工程科学系,北京100871)

摘要:螺旋流一般通过切向进流、安装导流片或旋转管道三种方式产生,但Horii等人通
过实验发现有三种装置也产生了非常稳定的螺旋流。笔者利用激光测速仪针对其中一种装
置产生的螺旋流进行了时均速度分布测量。实验结果表明,本例情况下时均流动先是形成不
对称双涡结构然后过渡到单一涡结构而形成螺旋流的。
关键词:螺旋流;实验测量;多普勒激光测速仪
中图分类号:V211.7;TN249文献标识码:A文章编号:100723124(1999)0420008206

Experimentstudyonasortofstrongswirlingflow

XIONGAo2kui,WEIQing2ding
(Dept.Mech.&Eng.Science,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Abstract:Ingeneral,swirlingflowsinpipesaregeneratedbythreemeans:tangen2
tiallyinlettingmedium;guidingfluidbyvaneswithacertainangleandaxiallyrotating
pipe.Horiiandhisco2workershaveinexperimentsdiscoveredthatthereexistotherthree
kindsofapparatusesthatcanalsocausestrongswirlingflows.Inthispaper,thevelocity
distributionsoftheswirlingflowtakingplaceinoneofthethreeapparatusesaremeasured
byLDVandthefeatureoftheflowisdrawnfromtheresultswhichillustratethatthe
swirlingisformedintheevolutionofasymmetricdoublevorticesintosinglevortex.
Keywords:swirlingflow;experimentmeasurement;LDV
0引言

螺旋流在工业方面的应用范围极广,如在射流技术、燃烧技术、气力输送、旋风分离及
水力浮选等方面均广泛应用了螺旋流。在各种分离器、旋流水雾干燥器、涡管、搅拌器及
管道系统中常可见到螺旋流。螺旋流对传热的强化作用也已在理论和实验两方面得到证
实。因此在发动机燃烧或其它火炉中,常通过引入螺旋流来稳定火焰及强化燃料和空气
的混合,同时起到加强热量以及质量的交换。螺旋流技术也进入了人们日常生活领域,如
螺旋流节能煤气灶等。此外,螺旋流在自然界也是十分常见的,如龙卷风等。

收稿日期:1999206207
基金项目:自然科学基金(19572005)和攀登项目资助
作者简介:熊鳌魁(19602),男,湖北省武汉市人,北京大学博士研究生1

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第4期熊鳌魁等:一种强螺旋流现象的实验研究9

一般来说,螺旋流常规产生方法有三种:切向进流、安装导流片及旋转管道。但日本
白百合女子大学KiyoshiHorii等人[1]用空气作为流动介质,在雷诺数分别为110×105及
116×105的条件下,在如图1示的装置中,通过子午面内小孔径向向心射入的进流方式,
用粒子显示出非常稳定的螺旋流的存在。其后又发现流体通过扩散管+弯头+收缩管
(如图2示)的装置后也产生了螺旋流[2],并对所发明弯头的抗磨损性能进行了对比试验,
发现材料的使用时间大幅提高,大约是常规弯头的100倍,而且能有效地防止阻塞的发
生[3]。Horii等人认为前者是由于扩张段的效果,后者的原因之一是由于收缩段产生螺旋
流的效果。随后再次提出了一种螺旋流发生装置[4～6],即环状轴对称开口径向进流加锥
形收缩管(如图3示)。并对其在纤维输运、等离子体喷涂等工程应用中的效果进行了研
究,发现完全沿径向垂直进流的效果要比向轴向前倾偏斜进流的效果好。后来进一步的
工程应用研究表明,将该装置应用于亚微米粉状物的分装、光纤的安装以及输送传感探头
等方面均获成功,克服了原有技术的不足[7,8,10]。此外,通过对这种装置所产生的射流情