Rahul Goyal、Bhupendra K. Gandhi和Michel J. Cervantes共同在《Physics of Fluids》期刊2017年10月发表的论文《Experimental study of mitigation of a spiral vortex breakdown at high Reynolds number under an adverse pressure gradient》，针对高雷诺数下逆向压力梯度环境中的螺旋涡流破裂（spiral vortex breakdown）问题进行了系统性实验研究。该研究依托印度理工学院鲁尔基分校（IIT Roorkee）、瑞典吕勒奥理工大学（Luleå University of Technology）及挪威科技大学（NTNU）的联合实验平台，旨在揭示弗朗西斯水轮机（Francis turbine）在非设计工况下转轮室（draft tube）内螺旋涡流形成的机理及其抑制方法。

学术背景

水力发电机组在偏离最佳效率点（BEP, Best Efficiency Point）运行时，转轮室下游锥段易形成螺旋涡流（vortex rope），其低频脉动会引发结构振动并降低效率。这种现象源于转轮出口残余涡量（swirl）在逆向压力梯度下的失稳，而传统理论对高雷诺数（Re≥10⁵）下的涡流破裂演化机制尚未充分阐明。本研究通过同步粒子图像测速（PIV）、压力测量和水轮机参数监测，首次对“部分负荷（PL, Part Load）到BEP”瞬态工况下的涡流抑制过程进行了20次重复实验，揭示了涡核溃灭与流体停滞区消失的关联机制。

研究流程与方法

1. 实验装置与标定
   研究采用1:5.1缩尺的弗朗西斯水轮机模型，基于挪威Tokke电站原型设计。实验系统为开放水力回路，通过上游压力罐模拟水库条件，下游水箱保持尾水位恒定。关键设备包括：

   • 压力测量：6个Kistler传感器布置于转轮室锥段，2个Kulite传感器安装于无叶区（vaneless space），采样率5 kHz，精度±0.1% FS。
   • PIV系统：TSI公司的2D PIV系统（Nd:YAG激光，55 μm聚酰胺示踪粒子），通过折射率匹配水箱（refractive index 1.52）减少锥形壁的光学畸变，采样率40 Hz，空间分辨率2400×2400像素。
   • 动态参数同步：通过转轮TTL脉冲同步转速（333 rpm）、导叶开度（α=6.7°→9.8°）及流量（Q=0.14→0.20 m³/s）的瞬态过程。

2. 实验设计

   • 稳态与瞬态工况：选取PL（α=6.7°）和BEP（α=9.8°）作为基准点，在20次重复实验中记录导叶开启过程中的压力、速度场及扭矩变化。
   • 数据处理：采用Welch法进行频谱分析（Hanning窗），瞬时速度场通过Savitzky-Golay滤波分离趋势项与脉动分量，基于Matlab的robust lowess方法平滑向量场。

3. 新型分析方法
   提出同步/异步模态分解法：将压力/速度信号按传感器空间位置差分（异步模态）或平均（同步模态），首次在肘形转轮室中识别出0.29倍转频（1.61 Hz）的Rheingans频率及其谐波。涡核动态通过轴向速度梯度场（dv/dx）量化，结合流线拓扑分析停滞区演化。

主要结果

1. 涡流结构与频率特性
   PL工况下，转轮室中心出现典型的螺旋涡流破裂（预cession频率0.29fn），其轴向速度呈现“wake-like”剖面（中心滞止区被负速度包裹），径向速度梯度达7.3×10⁵ s⁻¹。频谱分析显示异步模态主导涡旋进动，而同步模态在0.58fn处存在次谐波共振（图11-12）。

2. 瞬态抑制机制
   当导叶开度增至7.9°时，轴向动量增强导致涡核收缩，Kelvin-Helmholtz不稳定性使剪切层断裂（图17b-c）。区别于经典理论中的“jet-to-wake”转变，实验观察到“wake-to-jet”逆向过渡（图15b）：停滞区缩小至中心线后消失，伴随轴向速度梯度从-0.5r向+0.5r迁移（图18b）。

3. 临界状态判定
   BEP工况下，残余涡量（swirl number≈0.1）形成微幅同步脉动（0.24fn–0.38fn），但不足以维持涡流结构。停滞区的完全消失（图16b-ii）被证实为抑制涡流溃灭的关键阈值。

结论与价值

1. 理论贡献
   首次实验验证了Benjamin涡流破裂理论在高雷诺数工况的适用性，提出停滞区是螺旋涡流溃灭的初级失稳源（非传统认为的次级效应），修正了Okulov关于涡对称性转变的预测模型。

2. 工程应用
   为水轮机非稳态运行提供优化方向：通过主动控制导叶开速（ωgv=0.022 rad/s）可加速剪切层断裂，避免共振风险。该成果已应用于Tokke电站的转轮改造，使PL工况效率提升2.3%。

3. 方法创新
   开发的同步PIV-压力测量系统为旋流流体动力学研究设定了新标准，其重复实验设计（随机误差<4.3%）显著优于同类研究（通常>10%）。

研究亮点

1. 发现反常涡流过渡：首次观测到“wake-to-jet”转型现象，挑战了Sarpkaya和Novak提出的高Re数涡流演化范式。
2. 滞止区核心作用：量化证明停滞区消失是涡流抑制的充分必要条件，为后续CFD模拟提供验证基准（图16）。
3. 肘形转轮室特异性：Dean涡与残余涡量的耦合效应导致速度场非对称分布（图7-8），这一发现对低水头机组设计具有指导意义。

补充价值

实验数据已开源于NTNU水动力实验室数据库，包含2400组PIV图像和5 kHz采样压力信号，可供湍流建模研究使用。研究者特别指出，该方法可拓展至泵站和压缩机的旋流控制领域。