应用PIV技术可获得在不同空化阶段，速度、湍流脉动、涡量等湍流物理量的空间和时间的分布特性，结合相关后处理软件可得到相应时间平均速度矢量图和等值线图。

速度场主要分为两个部分：一是在水翼吸力面后部区域，速度明显低于主流区，且存在较大的速度梯度，并向后扩展形成尾流。此速度剧烈变化的区域称为低速高脉动区。二是在其他区域，则基本没有大的速度波动，流场受水翼影响较小，故此区域称为主流区。

随着空化数的降低，速度分布表现出明显的特征差异，体现在如下几个方面：①　低速高脉动区域的范围基本上对应于空化区域，并随空化形态的变化而变化。对应于2.3.3节所述流场形态，由于片状空化区域非常小，空化数σ=2.07的片状阶段与空化数σ=2.67的无空化阶段的速度场基本相似（图2-32）。进入云状空化阶段以后，空穴尾部空化云的脱落和溃灭导致了流场速度的大范围脉动，表现出明显的对应关系。②　最低速度分布区域不断改变，并随着空化数的减小向流动区域的下游移动，并且逐渐变小。空化数为σ=2.67和σ=2.07时，最低速度分布区域（v＜2.5 m/s）仅沿着由水翼前后缘分离点形成的剪切流向后发展。此时，上下两条低速带还没有交汇，水翼吸力面附近仍有较高速度区存在。当空化数为σ=1.15和σ=0.44时，空化区已相对稳定地覆盖整个水翼吸力面，紧邻吸力面的后部区域——空化核心区则均为最低速度区域。同时，随着空化数的降低，低速区域逐渐向后移动，并逐渐缩小，形成了由内向外单调增加的速度梯度分布。③　在空化数的降低过程中，水翼后部主流区速度分布经历了一个均匀-振荡-逐渐均匀的发展过程。空化数为σ=2.67和σ=2.07时，主流区的速度场相当平稳。当空化数降至σ=1.15时，空穴尾部发生大规模的尾涡脱落和溃灭，导致了速度场的大范围变化，主流区也出现了不同的速度梯度分布。这说明云状空化对流场有剧烈的影响。当空化数为σ=0.44时，下部的主流区速度分布又趋于均匀。④　在超空化阶段，水翼吸力面前缘相对应的空化区域与主流区有相近的速度分布，而其他空化区域仍为低速区。在超空化之前的各个阶段，水翼吸力面前缘均处于低速区。在一定的超空化阶段，水翼吸力面前缘所在的空化区域内基本充满了纯汽相，而后部空化区域内仍为水-汽混合相。空化区域内水-汽分布的差异导致了速度分布的不同。这是超空化状态下空化区域速度分布的一大特点。

图2-32　不同空化阶段的速度分布（见彩插）

（a）σ=2.67；（b）σ=2.07；（c）σ=1.15；（d）σ=0.44

根据无空化时的速度梯度分布可知，速度梯度∂u/∂y比∂v/∂x高一个数量级。这是由于来流方向平行于x方向，故x向的速度波动处于支配地位。以水翼中部所在水平面为对称面，在剪切层所处区域，∂u/∂y分别随着y值的增大和减小而增加，因而使上剪切层处表现为正的速度梯度，而在下剪切层处则表现为负的速度梯度，从而分别造成了上下涡带的顺时针和逆时针旋转。

随着空化数的降低，时均涡量的分布特性也发生了变化，如图2-33所示。无空化流场的涡量值最大，也就是说，此时该区域流场的速度梯度最大。空化数σ=2.07时的片状空化基本上对流场没有大的影响，而云状空化和超空化时涡量则有较大的减小。这是因为当空化基本覆盖水翼吸力面后，空化区域内的水汽混合更为均匀，从而使其速度梯度变小。可以说，空化加速了近水翼流场的动量交换，使空化区域的速度变得均匀，且随着空化数的降低有增强的趋势。另外，上、下涡带逐渐靠拢，并向后延伸、拉直，同时下涡带的起始位置也向后推移。在空化数较大时的无空化流场（σ=2.67）和片状空化流场（σ=2.07），涡带基本沿剪切层发展，而且下涡带从水翼吸力面前缘开始（图2-34）。当空化影响较大（σ＜2.07）时，上下涡带随着空化区域的延伸而向后拉长；进入超空化阶段后，下涡带的起始位置明显发生变化，基本位于30%弦长处。

图2-33　速度梯度分布图（σ=2.67，α=15°）（见彩插）

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图2-34　不同空化数下的时均涡量分布图（α=15°）（见彩插）

（a）σ=2.67；（b）σ=2.07；（c）σ=1.15；（d）σ=0.44

在超空化阶段，最低速度总是分布于空穴核心区域，在空化区和主流区的汽液界面处存在着非常大的速度梯度。随着空化数的降低，速度分布表现出明显的特征差异：①　近水翼流场空化区域内的低速区由水翼吸力面中后部向水翼下游移动，其影响范围逐渐减小。空化数σ=0.77时，水翼后部整个流域速度均有不同程度的降低，低速区集中于水翼中后部；空化数σ=0.26时，低速区则移动至尾流场。对比相应的高速摄像图像可知，空化数σ=0.77时超空化处于空穴形成阶段，在空穴尾部仍存在明显的尾涡脱落和溃灭，导致了速度场的大范围变化。当空化数σ降低至0.30和0.26时，空化尾部的溃灭区域后移，表现为主流区域的向后延伸，最终形成了以低速分布区域为带状中心，上、下分层对称的速度分布轮廓。②　空化区域前部的汽相区与主流区有着相近的速度分布，而不同于空化区域后部水-汽混合相所在的低速区（图2-35）。由图可以看出，水翼吸力面前部始终存在一个速度与主流区相近的区域，并随着空化数的降低而不断扩大。由对应的高速摄像图像可知，这部分区域对应于空化区域的汽相区，水-汽混合相所在的两相区则对应于较低速度分布区域。也就是说，空化区域的内部，速度梯度的大小和含汽量的大小有关：在完全空化的汽相区域，速度梯度很小，与纯水体的主流区域是相同的；在汽-液混合区域速度分布的规律不同于单相区域，具有较大的速度梯度。

图2-35　不同超空化阶段的平均速度分布（α=15°）（见彩插）

（a）速度矢量分布图；（b）速度等值线图

根据图2-36分析可知，当空化数σ=0.77时，从水翼吸力面中部和压力面尾部开始，分别形成了正、反向旋转（压力面尾部为顺时针旋转，吸力面处为逆时针旋转）的旋涡区，并向下游延伸成为涡带；在其他区域则基本没有明显的旋涡，表现出空化发展与旋涡明显的依赖关系。随着空化数的降低，上、下涡带表现出明显的阶段性特征。首先，随着超空化区域长度的增加，上、下涡带逐渐靠拢，并向后延伸、拉直；其次，下涡带的起始位置随空化数的降低而向后推移，表明速度分布仍与水-汽混合相的波动存在对应关系。

图2-36　不同超空化阶段流场的平均涡量分布（α=15°）（见彩插）

（a）σ=0.77；（b）σ=0.30；（c）σ=0.26