龙卷旋涡是一种类似自然界龙卷风的特殊强旋流动,具有旋转强度大,内部真空度高,存在径向能量分离,与环境气体之间存在明显速度梯度等特征。为深入认识龙卷旋涡的气动特性,探索旋涡的形成条件,本文通过流场可视化和参数测量,深入分析了龙卷旋涡的冷态流场特性及其影响因素,为后续研究龙卷旋涡与热环境及燃烧的相互作用奠定了重要基础。本文基于Ranque-Hilsch效应设计了具有不同结构(涡流腔、喷嘴和管型)的旋射管;采用激光片光源和流场示踪的方法开展流场可视化实验,显示了流场在轴向的发展过程和径向结构特征;采用压力探针和热电偶测量了压力和温度的轴线和径向分布;而用三维PDA获得了流场的三维速度分布。获得了如下的结果:(1)根据初始真空度的测量结果,发现切向进气和阿基米德螺线喷嘴可有效提高初始真空度,因此在涡流腔产生更强的旋转流动。(2)结合速度场分布和可视化图像分析,可以将流场结构分为四个区域:初始段、强旋段、过渡段和尾段。初始段和强旋段的中心具有较高温降和真空度,表明产生了能量分离效应;中心真空与强旋互为正反馈,同时产生真空吸引和离心扩张两种相反的效应,维持了很小的射流张角和良好的气动封闭性。真空度和轴向速度的径向分布均呈“M”状,气流旋转造成的离心力和轴向速度增大,都有利于增大轴心的真空度。轴向速度和切向速度的径向分布外侧具有较高梯度,可视化图像中环境气流的流线在边界处的突变也验证了这一点,另外射流边界上的卷吸涡尺度小,边界清晰可见,则进一步说明射流与周围环境相互作用弱的特点。然而初始段和强旋段的区别也是显著的,初始段的轴心存在“弹头”形回流区,速度在径向上急剧变化,且呈分布无规律,而强旋段的轴向速度具有自相似性,初始段的射流张角明显大于强旋段。(3)由可视图像可见流动发展至过渡段后,大量的尺度较大卷吸涡在射流边界形成和脱落,真空度、温降和旋转速度趋于零,轴向速度分布平坦,射流边界不再扩张,这些特点表明旋流受环境的阻力影响而逐渐耗散。初始段和强旋段在速度峰值附近的湍流脉动较为强烈,而尾段可认为是各向同性湍流。(4)研究表明提高进气压力导致旋转强度和真空度更大,能量分离和流动刚性好,与环境作用弱;尽管研究表明管长对能量分离影响较大,本文中管长的最优值不明显。