5.雷诺数对空腔水流时均结构的影响_201401
流体的雷诺数及其应用
流体的雷诺数及其应用流体力学是研究流体运动和流体力学规律的学科。
流体运动的特性可以通过雷诺数（Reynolds number）来描述，雷诺数是流体力学中的一个重要无量纲参数。
在本文中，我们将探讨雷诺数的定义、计算方法，以及其在实际应用中的重要性。
一、雷诺数的定义雷诺数是流体力学中的一个无量纲参数，用来描述流体运动的剧烈程度和流体中惯性力与粘性力相互作用的强弱程度。
雷诺数的定义如下：雷诺数（Re）=（流体的惯性力）/（流体的粘性力）其中，流体的惯性力可以表述为ρVL，流体的粘性力可以表述为ηV/L，V代表流体速度，L代表特征长度，ρ代表流体密度，η代表流体粘度。
雷诺数的定义告诉我们，当流体的惯性力与粘性力相互作用强弱程度相近时，雷诺数的数值较小；当流体的惯性力与粘性力相互作用强弱程度差距很大时，雷诺数的数值较大。
通过雷诺数的数值可以判断流体的流动状态。
二、雷诺数的计算方法雷诺数的计算方法基于流体的特征长度（L）和流体的运动速度（V）。
常见的雷诺数计算公式如下：雷诺数（Re）=（流体的密度ρ × 流体的速度V ×特征长度L）/ 流体的粘度η这个公式中的各项参数可以从实验或者实际问题中得到。
通过计算雷诺数，我们可以快速了解流体的运动特性。
三、雷诺数的应用雷诺数在流体力学中拥有广泛的应用。
以下是几个雷诺数的实际应用示例：1. 飞行器设计飞行器设计中的一个 important 的参数是雷诺数。
飞机在高空飞行时，空气的密度较低，飞机速度很高，需要考虑流体的压缩性和发生的粘性力。
通过计算雷诺数，可以确定飞机在不同雷诺数条件下的气动性能和流场压力分布，从而优化飞机的设计。
2. 水力学研究在水力学研究中，雷诺数可以用来描述流体在管道、河流等各种水工结构中的运动状态。
通过计算雷诺数，研究人员可以预测水流的稳定性、湍流的发生和水力性能等。
3. 轴承设计雷诺数在轴承设计中的应用也较为常见。
通过计算雷诺数，可以确定流体润滑剂在轴承中的流动状态和流体的压力分布，从而优化轴承设计，减少摩擦损失和磨损。
雷诺实验(2014)
雷诺实验一、实验目的1、观察流体在不同流态（层流和紊流）时流体质点的运动规律；2、观察流体由层流变紊流、紊流变层流时的水力特征；3、测定下临界雷诺数，掌握圆管流态的判别准则；4、学习应用无量纲参数进行实验研究的方法，了解其实用意义。
二、实验要求1、观察层流和紊流两种流态；2、测量、记录实验数据，计算下临界雷诺数。
三、 实验原理流体流动存在两种不同状态：即层流和紊流，其阻力性质也不相同。
本实验采用如图1所示的自循环雷诺实验装置。
在实验过程中，保持水箱4中的水位恒定，即总水头不变。
当出水调节阀9开度较小时，开启有色水管5的阀门，则有色水与自来水同步在管路中沿轴线方向流动，有色水呈一条水平直线，其流体质点没有垂直于主流方向上的横向运动，即有色水流束没有与周围液体掺混，此时流动处于层流状态。
当出水调节阀9逐渐开大时，管路中的有色水流束开始振荡，不再与管道轴线平行，此时流动呈过渡状态。
当出水调节阀9开度继续增大，则有色水流束开始破裂，呈现不规则的状态，并发生横向掺混，遍及整个管道，即有色水在流动过程中完全扩散，已完全分不清有色水流束了，此时流动呈紊流状态。
流体的运动状态可根据有色水散开与否作定性判别，而定量判别可依据雷诺数Re 的大小来判定。
经典雷诺实验得到的下临界值为2320，工业上可依据雷诺数是否大于2000来判定流动是否处于紊流状态。
雷诺数Re 定义式可作如下变化，即4VV q d d Re Kq v dv ρυυμπ====式中 K ——常数，4K dvπ=； ρ——液体密度，kg/m 3；υ——液体在管道中的平均流速，m/s ；d ——管道内径，m ； μ——液体的动力黏度，Pa ⋅s ；v——液体的运动黏度，m2/s；q——体积流量，m3/s。
V四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）1．实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。
图1 雷诺实验装置图1. 自循环供水器2. 实验台3. 可控硅无级调速器4. 恒压水箱5. 有色水水管6. 稳水孔板7. 溢流板8. 实验管道9. 实验流量调节阀10. 稳压筒11.传感器12. 智能化数显流量仪2. 装置说明与操作方法供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。
雷诺实验带数据处理-推荐下载
雷诺实验带数据处理-推荐下载雷诺实验⼀、实验⽬的1. 观察层流和紊流的流态及其转换特征。
2. 通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。
3. 掌握误差分析在实验数据处理中的应⽤。
⼆、实验原理1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发⽣混掺现象。
在紊流流动中存在随机变化的脉动量，⽽在层流流动中则没有，如图1所⽰。
2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。
雷诺根据⼤量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成⼀个⽆因次数，称为雷诺数Re ，作为判别流体流动状态的准则4Re Q D πυ=式中 ——流体断⾯平均流量 ,Q L s ——圆管直径 ,D mm ——流体的运动粘度 ,υ2m s 在本实验中，流体是⽔。
⽔的运动粘度与温度的关系可⽤泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算36((0.58510(T 12)0.03361)(T 12) 1.2350)10υ--=??--?-+?式中 ——⽔在时的运动粘度，；υt C ?2m——⽔的温度，。
T C ?3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。
临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺⼨不同⽽改变。
流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。
4、圆管中定常流动的流态发⽣转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。
上临界雷诺数表⽰超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越⼀个较⼤的取值范围。
⽽且极不稳定，只要稍有⼲扰，流态即发⽣变化。
上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同。
因此，上临界雷诺数在⼯程技术中没有实⽤意义。
有实际意义的是下临界雷诺数，它表⽰低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。
通常均以它作为判别流动状态的准则，即Re < 2320 时，层流Re > 2320 时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，⼯程实际中⼀般取Re = 2000。
雷诺数
雷诺数介绍测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。
雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。
流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。
用符号Re表示。
Re是一个无因次量。
式中的动力粘度η用运动粘度υ来代替，因η＝ρυ，则式中：●υ——流体的平均速度；●l——流束的定型尺寸；●ρ、η一一在工作状态；流体的运动粘度和动力粘度●ρ——被测流体密度；由上式可知，雷诺数Re的大小取决于三个参数，即流体的速度、流束的定型尺寸以及工作状态下的粘度。
用圆管传输流体，计算雷诺数时，定型尺寸一般取管道直径(D)，则用方形管传输流体，管道定型尺寸取当量直径(Dd)。
当量直径等于水力半径的四倍。
对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道戳面积与周长之比．所以长和宽分别为A和B的矩形管道，其当量直径对于任意截面形状管道的当量直径，都可按截面积的四倍和截面周长之比计算，因此，雷诺数的计算公式为雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。
雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。
在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax 的比值也是不同的。
因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
下图表示光滑管道的雷诺数ReD与速度比V/Vmax的关系。
光滑管的管道雷诺数Re与速度比V/Vmax的关系p试验表明，外部条件几何相似时(几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等)，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的(流体动力学相似)。
这一相似规律正是流量测量节流装置标准化的基础。
可见，雷诺数确切地反映了流体的流动特性是流量测量中常用的参数．雷诺数的流量表达式为：M——被测介质的质量流量kg／h：Q——被测介质的容积流量m／h；D——管道内径mm；v——工作状态下被测介质的动力粘度Pa·Sp——工作状态下被测介质的运动粘度m2/s式中的常数值，依式中各参数的单位不同而异。
雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响的研究进展_高丽敏大作业
雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响的研究进展小明2014123456 西北工业大学动力与能源学院摘要随着航空发动机工作范围的不断扩大，考虑其进口条件变化对发动机内部流动及性能的影响非常必要。
国内外众多相关试验和计算表明，雷诺数对发动机性能的影响越来越重要。
本文就半个世纪以来研究雷诺数对航空燃气涡轮发动机影响的实验和数值模拟进行了评述，根据作者掌握的文献，着重在以下三个方面展开综述:雷诺数对航空发动机总体性能的影响、雷诺数对压气机特性和内部流场的影响以及低雷诺数下涡轮性能的研究。
文中分别阐述了国内外学者在上述几个方面的主要成果，并进一步指出了当前探索雷诺数效应的不足及未来的研究方向。
关键词雷诺数，航空燃气涡轮发动机，研究进展，内部流动1 引言雷诺数Re是衡量流体粘性对航空发动机增压及涡轮部件性能影响的重要准则之一。
一般来说，当涡轮喷气或涡轮风扇发动机进口气流的雷诺数Re大于某一临界值时,雷诺数对发动机各部件(包括风扇、压气机和涡轮)的影响可以忽略，因此增压部件的流量、压比和效率也将基本不受雷诺数变化的影响；但当发动机进口雷诺数小于此临界值时，雷诺数的变化对各部件的影响逐步显现，并对发动机各性能参数均带来直接影响。
用于衡量雷诺数效应影响的临界值被称为临界雷诺数，而雷诺数的变化对发动机各部件工作性能的影响也被称为低雷诺数效应[1]。
随着飞机飞行高度升高，入口气流的压力和密度均显著降低，由由表1中各数据可见，相对于海平面，20km高空的大气压力仅为标准大气压力的5.46%，使得表征叶轮机雷诺数的叶弦雷诺数大大降低，流场特征也会偏离设计状态，可能会使发动机的工作性能严重恶化。
不同的发动机流道和叶型设计具有不同的临界雷诺数（一般临界雷诺数的量级为左右），且雷诺数效应对不同型号发动机的影响程度和方式也不尽相同。
表1 不同海拔高度大气物理性能变化[2]图1-1是某型涡轮风扇发动机在正常条件下各个部件的雷诺数，可以明显的看到，低压涡轮的工作雷诺数处以整个发动机的最低水平[3]，压气机的工作雷诺数也不太高。
雷诺数与流体流动状态的关系
雷诺数与流体流动状态的关系雷诺数是流体力学中的一个重要无量纲参数，它描述了流体流动的稳定性和湍流发展的特征。
雷诺数与流体流动状态密切相关，不同的雷诺数对应着不同的流动特性。
雷诺数（Re）是由法国物理学家雷诺提出的，它是以雷诺的名字命名的。
雷诺数的定义是流体的惯性力与黏性力的比值。
在流体中，惯性力是由流体的密度和速度决定的，而黏性力则是由流体的黏度和速度梯度决定的。
雷诺数越小，流体流动越稳定。
当雷诺数小于临界雷诺数时，流体流动是层流的，流线整齐、平行，并且没有明显的湍流涡旋。
在层流状态下，流体粒子之间的相互作用较小，流动稳定，具有较小的能量损失。
当雷诺数大于临界雷诺数时，流体流动变得不稳定，出现湍流现象。
湍流是流体流动中的一种复杂状态，流线交错、涡旋形成，并且有明显的能量耗散和混合。
湍流状态下，流体粒子之间的相互作用增强，流动不稳定，具有较大的能量损失。
雷诺数与流体流动状态的关系可以用以下公式表示：Re = ρul/μ其中，Re为雷诺数，ρ为流体的密度，u为流体的速度，l为流体流动的特征长度，μ为流体的黏度。
由于要求不输出公式，所以这里不再展示具体的计算公式。
雷诺数与流体流动状态的关系可以总结为以下几点：1. 当雷诺数很小时（Re<2000），流体流动是层流状态。
层流状态下，流体粒子之间的相互作用较小，流动稳定，流线整齐、平行。
2. 当雷诺数增大到一定程度时（2000<Re<4000），流体流动开始出现转捩现象，从层流状态向湍流状态过渡。
此时，流线开始出现波动和扰动，湍流涡旋开始形成。
3. 当雷诺数进一步增大时（Re>4000），流体流动进入湍流状态。
湍流状态下，流体粒子之间的相互作用增强，流动不稳定，流线交错、涡旋形成，并且有明显的能量耗散和混合。
4. 雷诺数越大，湍流现象越明显。
湍流状态下，流体流动具有较大的能量损失和阻力，对于工程设计和流体传输等应用具有重要影响。
雷诺数与流体流动状态密切相关，不同的雷诺数对应着不同的流动特性。
雷诺数
学习人生 2009-03-15 12:40:50 阅读251 评论0 字号：大中小订阅Reynolds number(雷诺数Re)液体的流动状态可用雷诺数判断。
雷诺数定义为式中，d—流束的特征长度，单位：m；V—流体的平均流速，单位m/s；ν—液体的运动粘度，单位：m2/s；或者，在CGS单位制中：cm2/s（斯）；μ—流体的动力粘度，也称绝对粘度，单位：，它表示了单位速度梯度时内摩擦且应力的大小，μ之所以叫动力粘度，是因为在其量纲中存在动力学因素。
注：对于圆形截面管路，其特征长度一般取管路直径D；对于非圆形截面管路，雷诺数定义为水力直径d H可用下式计算式中，A—液流的有效面积；χ—液流的湿周（液流有效截面的周界长度）。
对外流问题，v、d一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径)物理意义：流体力学中表示粘性影响的相似准数。
Re是一个无因次量。
表示了流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比，它表示着流体流动的状态。
雷诺数Re小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。
雷诺数Re大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。
在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。
因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
外部条件几何相似时(几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等)，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的(流体动力学相似)。
这一相似规律正是流量测量节流装置标准化的基础。
***************************************************************** ******流体力学中表征粘性影响的相似准数。
工程流体力学中的雷诺数对流动行为的影响
工程流体力学中的雷诺数对流动行为的影响工程流体力学是研究流体在工程应用中的力学特性和行为的学科。
在工程流体力学中，雷诺数（Reynolds number）是衡量流体流动的重要参数之一。
雷诺数的大小与流体的速度、密度、粘度以及流动的特征尺度相关。
在流体力学中，雷诺数描述了惯性力和粘性力的相对大小，从而对流动的行为产生重要影响。
雷诺数的定义如下：雷诺数Re可以表示为流体的速度U乘以特征长度L除以动力粘度ν。
数学表达式为：Re=UL/ν其中，U代表流体速度，L代表特征长度，ν代表动力粘度。
雷诺数的大小不仅与流体的物性相关，也与流体流动的特征尺度有关。
通常情况下，当雷诺数小于2100时，流动被认为是层流流动；当雷诺数大于4000时，流动被认为是湍流流动。
在2100与4000之间，存在一个过渡区，流动可能从层流流动转变为湍流流动。
雷诺数对工程流体力学中的流动行为具有重要影响。
下面将分别从层流流动和湍流流动两个方面进行讨论。
1. 雷诺数对层流流动的影响：当雷诺数小于2100时，流动被认为是层流流动。
层流流动的特点是流速分布均匀，流线呈直线，没有明显的涡旋和湍动。
此时，粘性力在流动中起主导作用，惯性力相对较小。
在层流流动中，雷诺数的增大会引起流体速度的增加，流动会变得更加紊乱，但湍流现象不会出现。
此时，流体的粘性和惯性之间的平衡为层流流动提供了稳定的特性。
人们可以通过数学模型和解析解来分析和计算这类流动，有助于工程设计中流体的预测和优化。
2. 雷诺数对湍流流动的影响：当雷诺数大于4000时，流动被认为是湍流流动。
湍流流动的特点是流速分布复杂，流线蜿蜒曲折，并伴随着大量的涡旋和湍动。
此时，惯性力在流动中起主导作用，粘性力相对较小。
在湍流流动中，雷诺数的增大会引起流体运动更加剧烈和随机，流动的能量转化更加复杂。
湍流的复杂性使得数学模型和解析解的求解变得困难，因此需要借助计算机模拟和实验方法来研究和描述湍流流动。
湍流流动在许多工程领域中都是常见的，例如在管道内的流动、飞机表面的流动等，合理控制和预测流动行为对于工程设计和优化至关重要。
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水利学报SHUILI XUEBAO 2014年1月文章编号：0559-9350（2014）01-0065-07收稿日期：2013-03-19基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题（2011BAB09B01)作者简介：陈槐（1987-），男，江苏人，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。
E-mail ：huai-chen10@第45卷第1期雷诺数对空腔水流时均结构的影响陈槐，钟强，李丹勋，王兴奎（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）摘要：利用PIV （粒子图像测速）测得的不同雷诺数下空腔中垂面的流场序列，分析来流条件对空腔流场涡旋结构及掺混特性的影响。
时均流场中存在两个不同大小、旋转方向相反的涡旋。
随着雷诺数增大，大涡旋发展壮大并最终受制于固壁边界，小涡旋受大涡旋压迫而减小，两者最终稳定的雷诺数都接近2000，大小涡旋稳定半径分别为0.83D 、0.13D （空腔深度）。
雷诺数的增大导致来流剪切层与空腔冲撞区域从空腔下游角点延伸至凹腔内部，其中，掺混程度相对较小的区域，面积随雷诺数增加而快速增大；掺混程度相对剧烈的区域，范围会较快趋于稳定。
剪切层与空腔下游边壁的冲撞作用，决定了空腔的掺混特性，并使得雷诺应力高值区与时均大涡旋间的形态存在较好的相关性。
关键词：空腔流动；时均涡旋；雷诺应力；雷诺数；PIV中图分类号：TV131文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb.2014.01.0091研究背景空腔结构广泛存在于航空、水利等领域，如飞机的内埋式武器舱及起落架舱，内河挖入式港池、闸门门槽、关闭的取水口、船闸引航道及盲肠河段或渠段的口门，高速列车车厢连接部、敞篷车的敞篷及楼群密集的街巷（街巷剖面为空腔结构）等。
空腔结构的流动特性对空腔内物质的输移具有很大的影响，例如内河港池、盲肠河段的口门经常发生泥沙的回流淤积、污染物的滞留；楼群密集交通拥堵的街巷存在空气不易流通、质量较差的区域。
空腔流场的涡旋结构及来流剪切层与空腔下游边壁发生冲撞，由此而引起的掺混特性，与槽道流动特性存在着显著差异。
虽然空腔的长深比对流场结构具有较大影响，但Muto 等［1］指出，来流条件也是决定空腔流场形态的关键因素。
进行来流条件对空腔流场涡旋结构及掺混特性影响的试验研究，有助于认识空腔内污染物及泥沙的输移规律。
前人对空腔流动特性的研究主要集中在航空领域，流速通常在音速量级，以马赫数衡量来流条件的研究结果，不能在流速相对较小的领域（水利、环境等）得到类比应用。
虽然一些文献以雷诺数来衡量来流条件，但关注的焦点较少涉及空腔流场的涡旋结构及掺混特性。
对于空腔流场涡旋结构的研究有：杨国晶［2］应用数值方法结合试验，研究了12种雷诺数下空腔周向分布的脉动压力系数的变化趋势，并简要介绍了腔内涡旋的发展规律；Zdanski 等［3］描述了层流流态下空腔内涡旋形态的发展，并计算了大小涡旋中心距离随4种雷诺数的变化规律，但对紊流流态下的涡旋形态分析较少；Özsoy 等［4］研究了层流流态下空腔内瞬时涡旋在3种雷诺数条件下的统计特性；Lusseyran 等［5］描述了不同长深比试验条件下空腔中垂面内的涡旋形态，并研究了雷诺数与空腔横向平面内流体失稳间的联系。
对于雷诺数的影响，前人的研究结果存在不一致：So 等［6］通过模拟街巷内污染物在风力作用下的传播规律，得出流体运动及污染的传播形式主要取决于腔体的几何形状以及雷诺数的大小；而Matos 等［7］采用大涡模拟，通过对比2组取值相差较大的雷诺数下空腔内的涡量场及温度场，得出雷诺数对空腔水动力特性的影响较小。
对于空腔内的流体介质，以上文献中除了文献［2］的流体为水外，其余文献研究介质均为空气。
由上可知，前人对空腔的研究主要是以空气为流体，关于雷诺数对空腔流动影响的研究结果存在分歧，对空腔流场涡旋结构的定量计算较少，而且缺少对空腔内流体掺混特性的研究。
本文利用自主构建的空腔流动测量系统，以水流为流动介质，研究不同雷诺数下空腔时均流场涡旋结构及掺混特性的变化规律，并建立了空腔流动形态的概化模型，解释时均涡旋的产生及其与掺混特性的联系。
试验结果可为腔体结构中污染物及泥沙的输移研究提供参考。
2试验方法2.1试验系统及试验条件试验在自循环式空腔流动系统中进行，空腔长深比L /D =4，试验系统见图1。
出水管与大水箱的连接口处设有栅格，用以整流及消除大尺度结构，防止水面出现较大的波动；空腔两端分别连接足够长的过渡段，用以平滑过渡圆管与空腔的连接；空腔的背面为不锈钢，上下和前面为玻璃。
（a ）空腔流动系统（b ）空腔尺寸及PIV 测量区域图1简化的空腔流动系统及空腔尺寸试验时，在循环系统中施放某一流量，调节水泵及流量开关使试验雷诺数接近预设值，向水流中加入适宜浓度的示踪粒子，等待15~20min 至水流系统达到稳定，调节PIV 激光使其照亮空腔中垂面（图1（b ）中的阴影区域），利用高速摄像机拍摄存储试验图片。
共对7组不同雷诺数的流动进行测量，各试验组次的试验条件见表1。
雷诺数定义为Re=RU mean /v ；v 为运动黏滞系数，水力半径R 由空腔进口断面（未扩大前）计算而得，平均流速U mean 为空腔进口断面（未扩大前）处速度的平均值。
采用自主开发的二维高频DPIV 系统［8］对空腔中垂面的二维瞬时流速场进行测量，由于流场结构上下对称，测量区域仅为空腔对称轴的下半部（见图1（b ））。
DPIV 系统由NR3-S3高速摄像机、2WNd-YAG 型连续激光器、佳能EF 85mm f/1.2L USM 镜头、示踪粒子和PIV 计算软件组成。
其中高速摄像机的CMOS 大小为1280×1024像素，示踪粒子为10μm 粒径的空心玻璃微珠（DANTEC HGS-10）。
试验采样频率为800Hz ，采样容量为80000帧，图片长宽为960×360像素，分辨率为12像素/mm （83.3μm/像素）。
2.2数据处理PIV 算法采用多级网格迭代的图像变形算法［9］，计算的最小诊断窗口为16×16像素，每张图片可算出60×22的二维速度点阵。
从时均流场中提取时均涡旋参数（涡核位置及涡半径），由雷诺应力场计算空腔内流体的混掺特性，通过对比各组次间时均涡旋及掺混特性的差异，探讨雷诺数对空腔流动特性的影响。
采用λci 方法（Zhou 等［10］）提取时均流场涡旋的中心位置，如图2（a ）（文中所有坐标及长度都用空组次温度/℃v ×10-6/（m 2/s ）U mean /（cm/s ）Re 1181.0583.8240217.51.0849.96103181.05817.010704181.05830.91950518.51.04542.22670619.31.02454.735607191.03264.94190表1试验条件腔深度D 进行无量纲化）。
本文近似将λci λci MAX >0.9的区域的形心坐标（x ，y ）作为涡核位置。
可见空腔长深比L /D =4时，时均流场中存在逆时针旋转的大涡旋及顺时针旋转的小涡旋（与文献［3-5，11］结论一致），这种现象在所有实验雷诺数条件下均存在。
由于时均流场涡旋为椭圆形状，故用椭圆近似拟合大小涡旋作用范围，如图2（b ），水平半径为R x ，垂直半径为R y ，涡半径定义为R =R x R y 。
图2涡提取及涡作用域拟合由于雷诺应力是质点掺混而导致的动量输运，故可用雷诺应力场的空间分布特性来分析空腔流场的掺混特性。
用各组次雷诺应力的最大值τR MAX 分别无量纲化对应的雷诺应力场，如图3（与文献［4，11］一致）。
由图可知，雷诺数较小时，掺混区域集中在K 点（下游角点）上方，随着雷诺数增大，冲撞区集中在K 点的上游处，并向凹腔内部区域掺混。
研究雷诺应力场各比值所占区域随雷诺数的变化趋势，可以推知掺混特性的变化规律。
定义雷诺应力场某一比值p 所占的区域（下文简称“p值区”）为τR τR MAX ≥p 的区域，对应的面积为A p ，等效半径（等面积圆的半径）为r p =置()x p ，y p 为该区域的形心。
通过对比()x p ，y p 、r p 与大涡旋相应参数间的关系，研究时均涡旋与空腔内流体掺混间的联系。
图3雷诺应力场||τR τR MAX 分布3结果分析3.1时均涡结构图4为时均流场中大小涡旋涡核坐标（x ，y ）随雷诺数的变化，为清晰显示，图4（b ）中小涡旋y 坐标被向上平移了3D 。
大小涡旋涡核位置随雷诺数变化的规律基本一致：涡核x 坐标随着雷诺数的增大，先增大随后趋于一个稳定值，大小涡旋涡核x 坐标都在Re ≥2000后分别稳定在1.60D 、3.83D 附近；而涡核y 坐标的规律与x 坐标相反，显示出先递减后稳定的趋势，大小涡旋涡核y 坐标都在Re ≥2000后分别稳定在0.43D 、0.10D 上下。
大小涡旋半径随雷诺数的变化见图5（a ），大涡半径逐渐递增并稳定在0.83D 附近，小涡半径递减并趋于0.13D ，涡半径趋于稳定的雷诺数与涡核坐标稳定的雷诺数一致，都在Re =2000附近。
本文大小涡旋的中心随雷诺数增大而逐渐靠近（图5（b ）），最后稳定在2.25D 左右。
Zdanski 等［3］得出大小涡旋中心距离随雷诺数增大而减小，但他只用了层流下的4种雷诺数，所以当雷诺数较小时本文的结论与其一致。
由以上分析可知，空腔内的时均流场形态随着雷诺数的增大逐渐趋于稳定，分界点雷诺数为2000。
图4时均涡旋参数（涡核坐标）随雷诺数的变化3.2雷诺应力场与时均涡旋通过分析雷诺应力场p 值区的面积随雷诺数的变化趋势，研究空腔流场掺混特性的变化。
随着雷诺数的增大，p 值区所占的面积也增大（图6（a ）），表明空腔内流场的掺混范围在扩大。
同时，p 值越大，稳定所需的雷诺数越小，即掺混程度相对最剧烈的区域的范围会较快的稳定；p 值越小，曲线的斜率越大，表明掺混程度相对较小的区域的面积随着雷诺数的增大迅速增大。
图6（b ）展示了雷诺应力高值区（p ≥0.7）的等效半径r p 与大涡半径间的关系，两种半径随雷诺数的变化规律具有一定的相似性，都先增大随后基本趋于稳定，曲线转折点都在Re =2000处。
图5时均涡旋参数（半径、距离）随雷诺数的变化图6雷诺应力场p 值区面积及半径随雷诺数的变化对比p值区中心坐标及大涡涡核坐标（见图7）随雷诺数的变化趋势可知，雷诺应力高值区中心位置与大涡涡核位置存在较好的相关性。
p值区中心坐标x p及大涡涡核坐标x的相关性类似等效半径r p与大涡半径R间的关系；p值区中心坐标y p与2倍的大涡涡核y坐标的相关性更好，数值和曲线变化趋势都很一致。