龙卷旋涡(tornado-like vortex)是在实验室人工形成的一种特殊强旋流动，因与自然界的龙卷风具有相似的属性和特征而得名。它与工程中常见的旋流现象和过程有本质区别。龙卷旋涡具有很高的旋转强度和轴心真空度，存在能量分离效应，旋涡边界处速度梯度大，与环境气体之间存在明显滑移等一系列特殊性质。龙卷风依靠具有上述性质的特殊旋涡结构，可将压力能直接转化为机械能，从而始终维持其强大的旋转破坏力^[1]。

能源动力装置中常见燃油雾化喷嘴、 旋流燃烧等，都是利用旋流使流体在空间扩张，或与气流高速摩擦混合发生雾化，或通过强湍流效应形成低速回流区，强化燃料/空气混合、 传热传质和燃烧过程，确保火焰稳定^[2-3]。这种较大尺度的旋流本身也参与燃烧过程，但均不涉及龙卷旋涡的特殊性质。旋射流常用在对物料的切割、 破碎和清洗的水射流技术中^[4]，在破岩钻孔方面远比常规圆湍射流更具优势，但相关研究并不涉及龙卷旋涡的特殊性。

研究发现，将龙卷旋涡与燃烧过程耦合后会彼此强化，不仅旋涡得以加速，同时能明显改善燃烧效率和火焰稳定性。发动机实验表明，在不改变结构和燃料量的前提下，旋涡效应使推力增加30%以上，加力燃烧室的燃烧效率从85%提高到97.5%，压损、 贫/富油熄火极限、 燃烧稳定性均达国际先进水平，实现“余热增推”的效果^[5-6]。 但龙卷旋涡本身的气动特性、 旋涡与燃烧过程的相互作用机理、 污染物排放规律尚未得到明确的揭示。

本文的龙卷旋涡是基于Ranque-Hilsch效应(简称R-H效应)即“能量分离”效应来实现的。这个效应是指常温流体在管内高速旋转时，会产生径向温度梯度，进而形成冷、 热2股流体的现象。工业上常用的涡流管(vortex tube)也是基于R-H效应制成的，除制冷外，还用于气态混合物分离、 有限空间生命环境保障、 恶劣环境下的舰船电子装备维护等^[7-9]。大量研究集中在结构优化、 提高涡流管能量分离效率和制冷性能上^[9-12]，但未见任何涉及旋射流或龙卷旋涡的报道。

本文研究龙卷旋涡是为今后探索旋涡与燃烧相互作用机理奠定流体力学基础。为此，设计了一系列旋涡射流发生器，并对旋涡的气动特性及形成条件开展了实验研究和数值模拟^[13]。

1 实验系统、 测量方法与条件 1.1 实验系统

实验系统由压缩空气系统(Ⅰ)、 热空气系统(Ⅱ)、 旋射管和测量系统组成，见图 1。

压缩空气系统为旋射管提供高压气流，热空气系统用电加热器加热来流空气，以研究旋涡射流与高温热环境的相互作用。携带示踪颗粒的气流由外界注入主气流。测量系统包括激光片光源、 高速相机、 示踪粒子发生器、 压力传感器、 热电偶，以及激光多普勒测速仪(PDA)，可实现旋涡流场可视化研究及流场参数测量。限于篇幅，本文不包括速度场研究结果。

1.2 旋射管

旋射管由涡流体和延长段2个部分组成，见图 2。

涡流体是产生旋流的核心部件，压缩空气经切向槽道进入内部的涡流腔而形成旋转，再经延长段旋射而出。涡流腔真空度p_vc0(称为“初始真空度”)通过涡流体端部的测压孔测量。涡流体分圆柱、 圆锥形2类，分别用a、 b代表； 进气方向在纵剖面内与轴线有不同夹角； 进气喷嘴流道形状亦分直线、 曲线(用ar表示)2类。延长段分圆管、 锥管(轴向渐扩)2类，分别用A、 B代表，其延长段长度为L，进口内径均为D，公称长径比有3个，分别为L/D =8、 13、 19。旋射管型号见表 1。

1.3 测量方法

采用压力传感器(日本横河川仪，EJA110A等)测量旋射管进气压力p₀和各处真空度。本文中的压力均为表压。通常，真空度的表压值为负，为直观起见，文中用绝对值，用K型热电偶测温。射流温度以Δt=t-t₀表示，以消除进气温度t₀变化带来的误差和基准漂移。用浮子流量计测进气流量Q₀，所有数据由多通道巡回检测仪记录。

示踪粒子为粒径3~6 μm的空心玻璃珠，由德国PALAS公司RBG 2000型颗粒发生器供入主气流。激光片光源(北京LaserWave公司，LWGL532型)可垂直或水平照射，用Canon相机和Imperx高速摄像机拍摄流场图像。

1.4 实验工况与条件

实验包括流场可视化和参数测量2个部分，其工况条件见表 1。流场可视化(工况1~7)主要观察旋涡射流形态及其随旋射管结构和进气压力的变化，同时测量p_vc0。旋射管用了圆柱、 圆锥2类涡流体，2种进气角度(0°和18°)和2个延长段长度A8 和A19。

流场参数即旋涡射流的真空度p_vc和温度t分布(工况8~11)，根据可视化实验结果确定最佳实验工况为： p₀ =0.3~0.5 MPa、 圆柱型涡流体，0°进气角、 延长段长度为A13和A19。

2 结果与分析 2.1 p_vc0的变化规律

p_vc0是旋射管的特征参数，反映龙卷旋涡在起旋初期所达到的真空度，可作为数据分析的参考基准。由图 3(a)可见，对确定的旋射管而言，p_vc0随进气压力p₀呈指数形式上升，在较高压力下渐趋平缓，这是由于涡流体进气喷嘴处的气速接近音速所致。

p_vc0曲线可用以下拟合式表征：

${{p}_{\text{vc0}}}=88.62\exp \left( \frac{-{{p}_{0}}}{0.165} \right)+88.48.$

(1)

由图 3(b)可见： 1) 比较工况1、 2，当p₀从0.1 MPa提高到0.2 MPa时，p_vc0增加45.1%。 2) 工况3进一步将p₀提高到0.3 MPa，延长段加长2倍余。若单纯考虑p₀的影响，依据图 3(a)的曲线趋势并计及旋射管结构差异，真空度预计应为61.7 kPa，但实际仅为51.9 kPa，比预计的低15.9%，显然是延长段加长，增大了管内下游压力损失，使上游的涡流腔内压力升高所致。 3) 工况4将工况3的涡流体进气流道改为曲线，p_vc0提高近20%。 4) 将工况3圆柱形涡流体改为工况6的圆锥形后，p_vc0增加 41.3%。原因是后者沿壁面母线切向进气，而前者则是不完全切向进气。据文^[8]报道，切向进气的能量分离效果最好，若进气与切线夹角增至45°以上，则能量分离消失。锥形涡流体能形成良好的贴壁流动，故可显著提升真空度。 5) 工况4和工况7也涉及切向进气的问题。后者将纵剖面内的进气夹角改为0°，在周向上则很容易实现切向进气，故将真空度提高19.6%。 由于旋射管a00-07ar_A19的p_vc0是所有工况中最高的，故被选择用于后续流场参数测量。

2.2 旋涡射流形态

1) 纵剖面特征

图 4为旋涡射流的纵剖面流动结构，有明显的分区特征，即沿轴向分为强旋区和耗散区。强旋区中心颜色相对暗，表明气体稀薄。该区旋涡半径变化较小，呈现出流动刚性，边界清晰锐利，对环境气体的卷吸作用不明显。耗散区外围可见明显的卷吸涡，沿径向扩张快，边界湍动剧烈。将强旋区放大后(见图 4b)，可沿径向进一步细分出真空区、 核心区和混合区。真空区是整个射流中压力最低的部位，与大气环境形成了很大的径向压力梯度，构成维持射流不迅速扩张的向心力来源。核心区是旋涡射流的主体部分，径向扩张缓慢，大部分流体质量从中呈螺旋状向上顺流流动。混合区是旋涡射流的边界，因与环境气体摩擦而形成一系列卷吸涡，由于涡尺度小，射流边界清晰锐利。

综合来看，在径向压力梯度和离心力的共同作用下，射流呈现出良好的封闭性和约束性，使射流中心的真空区得以维持。这是龙卷旋涡的主要特征之一，而不像常见的旋转射流(如离心雾化喷嘴)一出口便立刻扩张，形成张角很大的中空气锥，并在轴线附近引起回流，无法维持中心的低压状态^[14]。

2) 横断面特征

图 5展现了强旋区在径向上的分区特征以及环境气体的流动状态。同时还观察到，环境气体在进入旋涡混合区前，基本是沿着径向流入，而切向速度较小。一旦进入旋涡混合区，立刻转变为强烈旋转。这表明，在本文的实验条件下，切向速度在混合区边界上存在速度滑移。

3) 旋涡射流张角

如表 2所示，测量发现，与常规圆湍射流不同，旋转射流存在2个张角： 1) 在射流喷出瞬间，管壁约束突然消失，受离心力作用而立刻发生径向扩张所形成的初始张角θ₀。 2) 射流在中心高真空度产生的径向压力梯度与离心力抗衡而重新收缩形成的射流张角θ_j，见图 4b。 由此可定义一个“射流收缩率”ξ = (1-θ_j/θ₀)，其数值越大，表明射流的真空吸引效应越强。

θ₀与p_vc0一样，可用来衡量旋流的强弱：1) 工况1和2是同一个旋射管，当p₀提高一倍时，p_vc0增加45.1%，θ₀达到所有工况中的最大值68.1°，ξ也达最大值的48.9%，可见p₀对旋转强度有关键影响； 与p_vc0相比，θ₀随p₀的增幅更大，因为p_vc0未同步达到所有工况中的最大。 2) 工况3在工况2的基础上增加2个变因： p₀提高50%； 延长段加长2倍余。结果p_vc0增加了15.1%，θ₀却从原来的最大变成最小，直降46.4%。 ξ亦然。说明旋流传递到出口后，被管长大大削弱，因为气流紧贴管壁作螺旋运动，管道越长，管壁摩擦损失越大。 3) 工况4是将此前所用涡流体进气喷嘴流道型线作了优化，导致p_vc0增加近20%，而θ₀增幅更快，达到了43.8%，工况3和6、 工况4和7同样如此。

结合表 2和以上分析，发现： 1) 在同样条件下，适当缩短旋射管长度，有利于在管出口获得更高的真空度； 2) θ_j大多处于31°~36°之间，远比工程中常用的旋流喷嘴张角60°~120°^[14]小得多； 3) 不论初始张角有多大，当地强大的径向压力梯度最终都会将θ_j拉回到大致相同的水平上； 4) 在相同的进气压力和延长段长度条件下，ξ与p_vc0成正比(见图 6)。

由此可见，在旋转强度、 真空度和旋涡射流之间，存在一个自维持的正反馈机制——更强的旋流产生更高的真空度，更高的真空度则使旋涡射流的封闭性和约束性更强，这些特性反过来又有利于维持更大的旋转强度。强旋和轴心真空度对立统一是龙卷旋涡的重要特性。

2.3 龙卷旋涡射流特性

以下的数据均来自流场参数测量实验。若不作说明，所用旋射管均为a00-07ar_A19。进气压力p₀=3和0.5 MPa。

1) 流动参数轴向分布

由图 7可见，旋涡射流核心如流场可视化所观察到的存在真空(低压)区，这与静压处处等于大气压的常规圆湍射流有本质差异。真空度p_vc，ax沿轴向大致呈指数形式衰减，但仍持续较长一段空间距离(z/D>10)。 因真空度乃气流旋转所致，故射流的旋转强度也是沿轴向逐渐降低的。

根据真空度衰减特征和对可视化实验所见的旋涡射流的分析，可认为强旋区范围在z/D=4~5 以内。

除真空区外，旋涡射流中心还存在大幅度的降温，表明发生了能量分离过程。降温沿轴向也呈指数形式回升，在z/D=4~5后基本消失。

2) 流动参数的径向分布

由图 8可见，旋涡射流的真空度径向分布整体上呈单峰形态，但又是一个中心区低凹的特殊单峰。峰的平均高度沿流动方向逐渐降低，意味着平均旋转强度在逐渐降低。但峰的径向各点下降的快慢程度明显不同，且在z/D=0~5的范围内变化尤为剧烈。随着流动的进展，真空度峰会逐渐径向扩张。出了强旋区后(z/D>5)，曲线趋平，真空度基本消失。

在射流出口截面(z/D=0)上，峰顶凹陷不明显，但随着流动的发展迅速塌陷，射流外围的真空度下降则相对缓慢，由此才形成“火山口”状分布形态。

由图 8还可见，射流内部的真空效应受到某种“屏蔽”作用而能保持在较高水平。在真空度曲线的最外侧，真空度从极值迅速衰减至零，径向梯度(绝对值)比中心区大得多。表明旋涡射流与环境气体之间存在较大的“滑移”。节2.2中横断面的环境气体流动规律和旋涡射流张角小，也验证了这一点。很可能气流旋转强度大到一定程度，与环境气体的速度滑移更显著。这种推断有待更多工况的实验数据及速度场测量来验证。

相对温差的径向分布则呈单峰形态，与倒置的正态分布相似。与真空度一样，沿流动方向会迅速衰减，在射流下游(z/D>5)，温差幅度很小，基本接近大气温度，说明旋流强度降低，旋涡的“屏蔽”作用减弱乃至消失。

比较相对温差和真空度的径向分布，可见二者的单峰中心的形态不同(火山口型和类正态分布型)。此外，径向影响范围不同： 真空度已然超出了有效管径r/R=1的范围，而温差则相反，在r/R = 1处已基本趋零。旋涡中心降温的同时，也使外围的近壁区获得热气流，故图 8的温差分布看似比真空度曲线窄，实际上是被该热气流加热所致。

3) p₀的影响

由图 7可见，p₀升高会整体提升轴线真空度水平，意味着旋转强化，但其衰减规律未变，从而使真空度的轴向影响区域随之扩大。轴线上的温差也相应增大，表明能量分离效应更强。但与真空度略不同的是，温差到射流下游(z/D=10)处已趋零，表明p₀也增大了其衰减速率，故轴向降温区高度未变。

结合表 1和图 7可知，从0.3到0.5 MPa，p₀增加了66.7%，p_vc0只增加11.7%，因为涡流体喷嘴流道内的气流速度接近音速，气动所致的旋转强度接近极限，而射流出口(z/D=0)轴线上的真空度增幅达到50%，与p₀的增幅相当，说明进气压力向旋射管输入的能量，更多地转化为旋转动能。

p₀由0.3 MPa提高到0.5 MPa后的流场参数径向分布有显著变化，见图 8和图 9： 1) 真空度整体水平大幅度提高，温差更大，径向梯度更大，射流的旋转强度更为剧烈； 2) 同一横截面(z/D=1和2)的真空度极大值径向位置内移，低温区域收缩，处于管径(r/R＜0.8)范围内，说明随进气压力提高，射流真空度提高，射流呈收缩趋势； 3) 极大值与射流核心真空度的数值差增大，即极大值随p₀增加得更快，进一步加剧真空度径向变化的不均匀程度。

4) 旋射管长径比L/D的影响

涡流管的长径比存在最佳范围^[8]。 为此，有必要研究长径比对旋射管龙卷旋涡的影响规律。

由图 10可见，轴线上的真空度和温差分布随长 径比变化有限，曲线之间略有离散。其中，3个长径比下的真空度曲线的共同点是均存在衰减快慢2个区，曲线在快区中基本重合。不同的是2个区之间转折点的轴向位置不同，慢区衰减速率不同。长径比越大，转折点越往上游，下游衰减越慢，轴向真空区域变长。长径比L/D从8增加到19时，温差(即能量分离)呈减小趋势，由此，看不出最佳长径比的存在。

由图 9可见，长径比总体上不影响真空度分布峰的火山口形态，带来的变化有： 1) 对应较小的长径比，可在出口截面(z/D=0)得到较高的真空度极值水平，此后则不断下降； 2) L/D=8时的分布峰狭窄细长，此后会径向扩张，但变化明显趋缓。这可从管内气流经历的不同过程来解释： 气流切向进入旋射管后必然首先经历一个充分发展段，参数变化快，旋转强度将达到最大。然后受壁面摩擦而逐渐减弱。因此，小长径比(L/D=8)的出口真空度最大，使得射流扩张角较小； 而在更大的长径比下，旋流必然经历管壁摩擦而强度减弱，使出口真空度暨径向压力梯度下降，自然射流扩张角增大。

从温差径向分布看，随着长径比增大，峰的形态即降温区域变得更加尖锐和狭窄。根据上面分析真空度的结果可知，旋转强度有随之减弱的趋势，这意味着射流与环境气体的滑移减小，在摩擦作用下，温度相对高的环境气体会更多地卷吸进射流中，从而使低温区缩小。

综上所述，根据目前的结果，尚未看出最佳长径比的存在，有待更多的实验观察和数据来验证。

3 结 论

通过对多种旋射管的初始真空度、 射流形态和流场参数的实验研究，深化了对龙卷旋涡气动特性和形成条件的认识，取得如下结论。

1) 龙卷旋涡的强旋同时产生真空吸引和离心扩张2种相反的效应，并在同一个流动中对立统一，维持了很小的射流张角和良好的气动封闭性。

2) 龙卷旋涡具有对外的屏蔽效应和与环境气体之间的滑移效应，维持了射流中心的高真空区和真空度的“火山口”状非均匀径向分布，真空度沿轴向呈指数型式衰减。

3) 龙卷旋涡具有很强的能量分离效应，与当地真空度和气流流动方向密切相关。

4) 进气压力和高真空度是形成龙卷旋涡的充要条件，压力能转化为旋转动能的比例随压力增高而加大； 优化的旋射管结构可提高能量转化效率。