基于層析PIV的橢圓水翼近尾跡梢渦實驗研究

趙航，佘文軒，高琪，邵雪明

浙江大學 航空航天學院 流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州 310027

0 引 言

旋渦作為一種常見的流動現象廣泛存在于自然界以及近現代工程中，被喻為流體運動的“肌腱”。在水動力學領域，旋渦身影隨處可見，如軸流泵等水力機械中的梢隙渦和船舶螺旋槳的轂渦、梢渦等。尤其是槳葉梢渦常誘導產生空化現象，即梢渦空化。梢渦空化現象會引起較大的脈動噪聲及結構振動，阻礙了水力機械和船舶推進技術的發展。因此，近幾十年來，國內外學者對梢渦空化問題開展了大量的研究。

在梢渦空化研究中，常使用空化數這一基本物理參數。該參數與流場中的壓力高度相關，因而早期對梢渦空化的研究主要以基于壓力的空化預測為主。早在20世紀60年代，McCormick針對梢渦空化問題開展了系統性的研究，基于理論分析，提出以旋渦中心最小壓力系數來預測梢渦的臨界空化數，推導得出的最小壓力系數能夠較好地預測梢渦空化的趨勢，但其具體數值與實驗中實際觀察到的臨界空化數有較大差異。此后，有相當一部分研究基于實驗獲取的梢渦特性（如旋渦強度、渦核半徑等），結合理論渦模型推導旋渦中心的壓力系數，并以此建立空化預測模型?；诤喕膹较騈-S方程則是另一種獲取梢渦內部壓力分布的方法，但該方法存在一定誤導性，其前提假設為軸對稱渦，而梢渦空化常發生于近尾跡區域，該區域內的旋渦處于發生發展階段并且高度不對稱。基于前人相關工作，Arndt總結完善了梢渦初生空化數預測模型，該預測模型主要考慮了3類影響因素，分別為旋渦中心平均最小壓力、當地湍流壓力脈動以及水質影響。Zhang等則在此基礎上進一步強調了槳葉梢部的旋渦流動會顯著影響預測模型中的相關參數，且局部的湍流壓力脈動可能由某些流動誘導產生，因此隨著流場測量技術和數值模擬方法的發展，有相當一部分研究工作聚焦于槳葉梢渦的流動結構。

近年來，研究人員采用粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）對梢渦流場開展了大量的實驗研究，重點關注有無空化情況下的渦流場差異。這部分研究工作極具開創性，重點揭示了處于空化狀態下的梢渦流場特性：空泡附近的液相渦流場會受到阻滯作用，具體表現為空泡附近的旋渦切向速度減小，旋渦強度減弱。Bosschers在基于空化Lamb-Oseen渦模型的數值模擬中也觀察到了類似現象，其結果與實驗吻合較好。在全濕流以及空化流狀態下，基于大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）的梢渦流動預測也取得了不錯的進展，相應模型能夠有效地預測梢渦流動狀態。此外，還有部分工作針對抑制梢渦空化展開，采用流動控制的手段，如主動射流、梢部柔性絲線、翼梢小翼、粗糙翼面等，以減弱梢渦強度，從而達到推遲或抑制梢渦空化的目的，這方面研究工作同樣也與梢渦流動密切相關。

上述研究主要集中于梢渦時均二維流場結構，只有極少部分數值模擬涉及梢渦三維流場。迄今為止，關于梢渦三維流場的實驗研究仍然十分欠缺，開展這方面工作不僅有利于從三維流動的角度進一步闡明梢渦空化的內在機理，準確描述梢渦的時空發展特性，還能在工程應用上指導船舶螺旋槳葉設計及梢渦空化控制策略，同時也可作為數值模擬及梢渦空化預測模型的重要參考及驗證。因此，本文將從這一角度出發研究梢渦流動特性。

本文基于高時間解析度的層析PIV技術，在高速空泡水洞中對橢圓水翼的梢渦流場開展實驗研究，重點關注橢圓水翼梢渦的發生發展規律、三維流動結構及渦核內部脈動特性等，嘗試從流動特征的角度說明其與空化的聯系。

1 實驗方法

1.1 實驗平臺及模型

實驗在浙江大學流體工程研究所的小型高速空泡水洞中進行。實驗段尺寸為1 000 mm×200 mm×200 mm，來流速度0.3～10 m/s連續可調，實驗段湍流度小于1%。實驗段側壁配備有角編碼器和步進電機，可用于調節模型迎角，角度精度為0.1°。所用實驗模型為橢圓水翼，如圖1 所示，其截面翼型為NACA66-415，根弦長c = 83.66 mm，半展長b =100 mm，安裝在實驗段側壁時，模型梢部正好處于實驗段的中線上。圖中x、y、z方向分別代表流向（軸向）、法向及展向，坐標原點位于水翼梢部。

圖1 橢圓水翼Fig.1 Elliptical hydrofoil

1.2 高頻層析PIV測量技術

采用高頻層析PIV技術對水翼單相梢渦流場開展實驗研究，如圖2 所示。4臺分辨率為1 024 像素×1 024 像素的Photron FASTCAM高速相機呈“×”形布置在水洞一側（2臺型號為SA4 200K M3，滿畫幅最大幀率3 600幀/s；另外2臺型號為Mini AX100，滿畫幅最大幀率4 000 幀/s）。每臺相機配備有尼康200 mm定焦微距鏡頭，為滿足景深需求，鏡頭光圈f=24。激光器系統為Nd-YLF高頻脈沖激光器（鐳寶光電Vlite-Hi-527-50），激光波長527 nm，單脈沖最大能量50 mJ，重頻范圍0.2～1.0 kHz。通過光學鏡組將激光擴展為厚度18 mm的體光源，用以照亮測量區域。相機與激光器系統通過同步器和上位機控制軟件同步控制，層析PIV測量系統采樣頻率為1 kHz，兩幀粒子圖像的曝光時間間隔Δt分別為100 μs和75 μs，以適用于不同的來流速度。實驗采用平均粒徑為50 μm的空心玻璃珠作為示蹤粒子，密度約為1.05 g/cm，跟隨性良好。

圖2 實驗布置示意圖Fig.2 Schematic of the experimental setup

采用北京立方天地科技有限公司MicroVec4 V1.2商用軟件對粒子圖像進行三維粒子重構及互相關運算?；诨叶仍鰪姳对龃鷶抵貥嬎惴ǎ↖ntEMART）重構三維粒子灰度場，三維重構體大小為51 mm（x）× 39 mm（y）× 18 mm（z），放大率為0.06 mm/像素，總共包含850×650×300個重構體素。采用多層迭代體變形算法對重構粒子場進行互相關運算，總共迭代2次，第一次查詢窗口大小為48 voxel×48 voxel×48 voxel，第二次查詢窗口大小為32 voxel×32 voxel×32 voxel，每次互相關運算的查詢窗口重疊率為75%，速度矢量間隔為0.48 mm（8 voxel），空間分辨率為1.92 mm（32 voxel），重構體內包含106×81×37個速度矢量。

1.3 旋渦辨識及擺動濾除

本文采用λ判據辨識流場中的三維旋渦結構，該判據是一種基于速度梯度的旋渦識別方法。由于水翼梢渦流場中僅存在單個強度較大的流向旋渦，剪切層對渦識別的干擾較小，因而在本文中采用λ（λ在x方向上的分量）辨識流場中的梢渦結構，認定λ的局部極值點為渦核中心。從水翼下游向上游觀察，梢渦在y-z平面內的旋轉方向為順時針，因此λ以及渦量在x方向上的分量均為負值。

在梢渦這種典型尾渦系統中，存在旋渦擺動（vortex wandering）現象，該現象被認為是旋渦的渦軸空間位置隨時間存在某種隨機波動。未考慮旋渦擺動的梢渦時均流場測量會引入額外的不確定性因素，從而影響測量結果的準確性，尤其是在單點測量（如探針、熱線等）中。一般而言，未考慮旋渦擺動往往會得到一個“平滑”的時均渦流場，所獲取的旋渦尺寸比真實尺寸偏大，而其最大切向速度偏小。在本文中，采用旋渦中心對齊平均的方法濾除旋渦擺動對時均流場的影響：將相同空間位置的時間序列數據按所確定的旋渦中心（λ局部極值點）對齊，再進行時間平均，從而得到擺動濾除后的時均數據。該方法簡單明了，適用于不同類型的渦流場研究。旋渦擺動濾除前后的時均渦流場如圖3 所示，圖中ω為軸向渦量，U為來流速度?？梢钥吹?，與圖3 （a）直接時間平均的結果相比，圖3 （b）所涵蓋的流場區域變小，包含的流場信息也明顯減少，即擺動濾除方法會導致一定量的數據損失，但擺動濾除后的時均流場仍包含了完整的梢渦結構，不會影響后續對梢渦流場的分析。

圖3 擺動濾除前后的時均渦流場Fig.3 Time-averaged flow field before and after vortex wandering correction

2 實驗結果及分析

本文主要研究不同來流速度（U=3.01、5.70 m/s）、不同迎角（α=5°、10°）下的水翼梢渦流場。基于水翼根弦長的雷諾數Re分別為2.48×10、4.70×10，此時水洞實驗段內空化數σ分別為22.60、5.80，流動處于單相狀態，無空化現象，流向測量范圍x/c =0.40～0.89。

2.1 梢渦擺動特性及擺動濾除

為說明旋渦擺動濾除的必要性，本節分析了梢渦的擺動特性。圖4 給出了不同工況下梢渦向下游發展的運動軌跡，其中誤差棒代表梢渦在當地位置的擺動幅度。可以看到，梢渦軌跡及擺動幅度在y、z方向上呈各向異性：測量區域內，梢渦在展向上沿z軸負向偏移明顯，而在法向上沿y軸正向略有偏移。對比不同實驗狀態，發現改變雷諾數不會對梢渦的運動軌跡產生明顯影響，但不同迎角下梢渦在法向上的相對位置存在差異，α=10°狀態下梢渦在法向上的空間位置更低，這與不同迎角下梢渦脫離水翼的空間位置相關。對于擺動幅度而言，梢渦在法向上的擺動幅度大于其在展向上的擺動幅度。

圖4 近尾跡區域內渦核中心運動軌跡Fig.4 Trajectory of the tip vortex core center in the near field

圖5 給出了不同工況下梢渦在近尾跡區域內的擺動幅度，圖中A、A分別為y、z方向的擺動幅度?？梢钥吹?，梢渦在法向上的擺動幅度明顯大于其在展向上的擺動，說明梢渦在法向上更不穩定，且向下游發展引起梢渦擺動的不穩定性會逐漸增強，擺動幅度沿流向放大，這與前人關于翼尖渦擺動的研究結論基本一致。隨著迎角增大，梢渦強度增大，擺動幅度有所減小，二者呈負相關，但雷諾數變化對梢渦擺動幅度的影響較小。

圖5 近尾跡區域內梢渦擺動幅度Fig.5 Amplitude of the vortex wandering in the near field

為定量對比擺動濾除前后的時均梢渦速度場，定義相對偏差Δ如下：

式中，E、E分別代表擺動濾除前后的時均速度場，包括軸向速度U（速度方向沿流向，即x軸正方向）和切向速度U（極坐標下周向速度，即為y、z方向速度的合速度，以順時針方向為正）。

圖6 給出了擺動濾除前后的時均速度場。此處選取迎角α=10°狀態進行分析，原因在于一定迎角范圍內，梢渦強度隨著水翼迎角增大而增強，而旋渦的擺動幅度與其強度呈弱負相關，討論旋渦小幅度擺動狀態對時均流場結果的影響更具說服力。圖6 （e）、（f）中的洋紅色曲線代表渦核邊界（以λ局部極值的12.5%所繪制的等高線，2.2節將具體闡述渦核邊界和渦核尺寸）。結果表明：旋渦的擺動運動對軸向速度分布影響不明顯，擺動濾除前后相對偏差不大于1%（圖6（f））；相比而言，濾除旋渦擺動的影響后，渦核內部時均切向速度分布發生了較大變化，相對偏差在20%左右（圖6（e）），渦核邊界上相對偏差約為4%，其原因可能在于旋渦內部切向速度的空間梯度較大，直接平均會引入較大偏差。此外，擺動濾除后時均切向速度場分布更加規整，渦核形態接近圓形，而擺動濾除前的渦核呈“拉長”的橢圓形。

圖6 旋渦擺動濾除前后時均速度場，α = 10°Fig.6 Time-averaged velocity field before and after vortex wandering correction, α = 10°

綜上可知，梢渦在近尾跡區域內所表現出的擺動特性十分明顯，未考慮旋渦擺動的直接時間平均會引入較大偏差，尤其是對時均切向速度場而言；而采用旋渦中心對齊平均方法能夠有效濾除旋渦擺動所帶來的影響，獲取更為準確的梢渦流場。因此，后文對梢渦流場的研究均采用此方法獲取時均渦流場。

2.2 梢渦三維流場結構

本節主要對橢圓水翼梢渦的三維流場結構展開分析。圖7 給出了不同實驗狀態下梢渦的瞬時三維流場，其中，藍色等值面代表測量流場中λ最小值的35%，用以展示梢渦的三維結構，黑、紅色圓點分別代表所在平面與x-y平面、x-z平面平行的流線起始點，相應顏色虛線代表流線，用以說明梢渦附近的流動狀態。結果表明：近尾跡區域內的梢渦尚未完全卷起，處于發生發展階段，呈不規則的柱狀形態，且梢渦在向下游發展過程中會向翼根方向（即z軸負方向）偏移。從流線看，周圍的流體不斷向梢渦卷繞，并向下游傳播。隨著迎角和來流速度增大，所產生的梢渦強度提升，其結構也更加穩定，影響區域也有所增大。

圖7 三維瞬時梢渦流場結構Fig.7 Three-dimensional instantaneous tip vortex structure

圖8 給出了不同工況下梢渦軸向速度三維分布，可觀察到，梢渦所表現出的軸向速度特性存在明顯差異。小迎角、低雷諾數狀態下所產生的梢渦強度較弱，渦流場內的軸向速度普遍小于來流速度，呈尾跡型（wake-like profile）軸向流動（圖8（a））；當進一步增大迎角或來流雷諾數時，梢渦軸向流動由尾跡型轉變為射流型（jet-like profile），即梢渦內部軸向流動速度大于來流速度（圖8（b）、（c））。這種轉變的原因在于旋渦強度增大，將梢部的分離剪切層卷繞在旋渦周圍，從而使得旋渦免受尾跡流動的破壞性影響，使其內部軸向流動保持較高速度。圖8 中青色和紅色等值面分別代表2種不同軸向流動類型渦流場中的高速區域，結果表明：無論梢渦的軸向流動表現為尾跡型還是射流型，流場中的高速軸向流動區域并不完全出現于渦核內部，其空間位置與渦核中心存在一定的偏差，主要分布于梢渦的一側，后文將對該現象進行具體說明。

圖8 時均軸向速度三維分布Fig.8 Three-dimensional distribution of time-averaged axial velocity

以α = 10°、Re= 2.48×10為例，圖9給出了梢渦在不同流向位置的軸向渦量ω及軸向速度分布云圖。圖中洋紅色圓點代表渦核中心。在x/c=0.4處，可明顯觀察到梢渦與水翼脫落剪切層的相互作用，剪切層逐漸卷繞在梢渦周圍，裹挾梢渦向下游發展，此時渦量主要集中分布于渦核內部，且在向下游發展的過程中存在一定衰減，同時渦核尺寸膨脹，梢渦作用區域逐漸增大；高速軸向流動區域主要分布于渦核與水翼脫落剪切層之間，而不是渦核中心。出現該現象的原因在于：近尾跡區域內，水翼脫落剪切層對梢渦作用明顯，渦核周圍旋轉流體受渦核和剪切層擠壓存在軸向加速；在向下游發展過程中，渦核與剪切層之間的相互作用減弱，該區域內的軸向速度也逐漸減小。

圖9 時均軸向渦量及軸向速度云圖，α = 10°Fig.9 Contour of time-averaged axial vorticity and velocity, α = 10°

為說明水翼脫落剪切層對梢渦的影響情況，圖10 給出了過渦核中心沿法向及展向的切向速度分布（α = 10°）。法向上，梢渦受剪切層作用明顯，受作用側的切向速度峰值明顯較低，且速度分布帶有低速拐點等不規則特征，另一側則為單峰值曲線，旋渦中心切向速度處于較低水平。梢渦向下游發展，低速拐點逐漸向渦核外側移動，說明剪切層對梢渦的影響逐漸減弱，同時旋渦中心兩側的速度峰值差減小，減小量約為來流速度的9.5%，渦核中心切向速度持續降低，以上特征均說明梢渦逐漸發展至完全卷起狀態。在展向上，剪切層的作用不明顯，渦核中心兩側速度分布基本對稱。此外，渦核尺寸同樣也是描述梢渦特性的重要參數之一，常采用渦核中心兩側切向速度峰值間距作為渦核的等效直徑d。但近尾跡區域內梢渦處于高度不對稱狀態，僅通過等效直徑無法準確給出渦核區域，因而本文采用以λ局部極值的12.5%所繪制的等高線確定渦核邊界，對比發現法向和展向上的切向速度峰值均處于此邊界上。而對于渦核尺寸，仍通過等效直徑d定量描述（本文采用法向和展向上切向速度峰值間距的均值）。x/c=0.40時，其等效直徑d約為4 mm，發展至x/c=0.89，d約為4.7 mm，同時法向、展向上的切向速度均隨之降低，結合圖9 中渦核內部渦量變化趨勢可知，上述現象為旋渦在黏性渦核旋轉作用下的內部渦量再分配過程。

圖10 梢渦時均切向速度分布，α = 10°Fig.10 Distribution of time-averaged circumferential velocity, α = 10°

2.3 渦核內部脈動特性

影響梢渦空化初生的因素主要有3類，分別為旋渦中心的平均最小壓力、當地湍流壓力脈動以及水質（含氣量、氣核分布）。其中，當地湍流壓力脈動往往與局部的不穩定流動高度相關，且梢渦空化普遍初生于旋渦中心，因而本節主要探討渦核內部的脈動特性，以說明渦核內部流動特征與梢渦空化的聯系。

圖11 給出了α = 10°時不同流向位置的湍動能（Turbulence Kinetic Energy，TKE）云圖，湍動能計算公式如下：

圖11 湍動能云圖，α = 10°Fig.11 Contour of turbulence kinetic energy, α = 10°

式中，u＇、v＇、w＇分別代表x、y、z方向上的均方根速度脈動。圖中洋紅色圓點代表渦核中心，青色曲線代表渦核邊界（λ局部極值的12.5%）。梢渦流場的湍動能主要集中分布于渦核內部，梢渦向下游發展，渦核內部的湍流脈動增強，其渦核內部的湍動能分布不再呈單一峰值，且湍動能峰值不再出現于渦核中心。

圖12給出了湍動能沿法向的分布曲線（α =10°），以說明渦核內部的湍動能分布情況。圖12 （a）展示了未考慮旋渦擺動的湍動能分布情況，湍動能呈單一峰值的正態分布，不同流向位置的湍動能峰值均出現于渦核中心，這與Peng等通過LDV獲取的結果一致。濾除旋渦擺動影響后的結果如圖12 （b）所示，在靠近水翼尾緣的流向位置，湍動能仍呈正態分布，但較圖12 （a）中的分布曲線更加“扁平化”，渦核內部湍流能量分布更為分散，說明濾除了旋渦擺動對湍流能量分布的影響。當發展至下游位置（x/c = 0.89）時，渦核內部湍動能繼續增強，但曲線在渦核中心位置出現“凹陷”，此時渦核中心區域的湍動能較其周圍區域偏低，該位置的湍流能量衰減增強，梢渦內核存在再層流化（relaminarization）趨勢，即在黏性渦核旋轉作用下，旋渦內核中的湍流脈動受到抑制進而衰減，呈向未受擾自由來流轉化的跡象。

圖12 旋渦擺動濾除前后的法向湍動能分布，α = 10°Fig.12 Distribution of turbulence kinetic energy along y axis before and after vortex wandering correction, α = 10°

圖13 給出了不同工況下渦核中心各速度分量脈動強度沿流向的變化情況，圖中不同顏色虛線代表相應速度脈動沿流向平均值。在所有實驗工況下，渦核中心速度脈動呈各向異性：軸向速度保持低水平穩定脈動，而展向速度脈動略強于法向速度脈動，約為軸向速度脈動的2倍，在測量區域內各速度分量脈動強度沿流向略有增強。此外，迎角改變會對脈動強度產生影響，迎角越大，各速度分量的脈動越強，其原因在于較大迎角下，從水翼梢部卷起的剪切層以及次生旋渦等流動結構與主渦相互作用更為劇烈，導致主渦渦核內部的湍流脈動增強；但迎角改變對各速度分量脈動強度分布規律無明顯影響。同時，增大來流雷諾數也會使得各速度分量脈動強度有所增大。結合2.2節中的結論發現，無論水翼梢渦的軸向流動形式是高速射流型還是低速尾跡型，其軸向速度脈動較其他2個方向的速度脈動均處于較低水平，說明軸向流動形式同樣對速度脈動規律無明顯影響。

圖13 不同流向位置渦核中心各速度分量脈動強度Fig.13 Velocity fluctuation in the core center at different streamwise position

在不考慮水質的前提下，水翼梢渦空化初生主要與渦核中心平均最小壓力以及當地湍流壓力脈動相關。而空化初生的第一要素始終是渦核中心平均最小壓力，只有當該壓力明顯低于空化初生的壓力閾值時才會出現穩定的空化現象，如圖14 （a）所示；而當渦核中心平均最小壓力與初生壓力閾值接近時，湍流壓力脈動則可能是不穩定空化現象的成因所在，如圖14 （b）所示的間歇空化。因此，為探究梢渦空化與流動特征的聯系，下面從渦核中心平均最小壓力和當地湍流壓力脈動兩方面展開討論。

圖14 梢渦空化的不同類型Fig.14 Different type of tip vortex cavitation

渦核中心平均最小壓力主要取決于旋渦強度，旋渦強度越大，其切向速度在徑向上的梯度越大，渦核中心壓力越低。渦核中心的平均切向速度接近于零，遠小于當地的軸向速度，而當地速度一定程度上能夠反映局部靜壓，即通過渦核中心的平均軸向速度沿流向的分布情況能夠判斷當地靜壓的大致分布。Asnaghi等通過數值模擬方法也證明了這一觀點，即渦核中心空化數與當地軸向速度高度相關，最大軸向速度與最小空化數（最低壓力）所在位置相對應，但Asnaghi沒有進一步考慮脈動因素的影響。對于湍流壓力脈動，Stinebring等總結了梢渦內部無量綱脈動壓力公式：

式中，p＇為渦核中心的脈動壓力，K為正常數，與流場湍流特性相關，k為渦核中心湍動能?？梢园l現，渦核內部的無量綱壓力脈動與湍動能呈正相關。結合圖13 中的結果，表1進一步給出了不同工況下，各速度分量脈動對湍動能的貢獻情況。從表中可知，法向和展向速度脈動貢獻了90%以上的渦核中心湍動能，說明水翼梢渦中心的湍流脈動由這2個方向上的速度脈動主導，而流向速度脈動的影響十分有限，進一步結合公式（3）可知，在本文所有工況下，根據渦核中心法向和展向的速度脈動即可基本確定當地湍流壓力脈動大小。

表1 渦核中心各速度分量脈動對湍動能的貢獻Table 1 The contribution of each velocity component fluctuation to TKE in the core center

基于上述結論，通過渦核中心平均軸向速度以及當地法向、展向速度脈動等流場信息，能夠有效估計局部壓力變化情況，這對預測水翼梢渦空化初生、完善空化初生預測模型具有重要的應用價值。

3 結 論

本文通過水洞實驗及高頻層析PIV技術對橢圓水翼的梢渦流動開展了實驗測量，清晰、完整地描述了梢渦的三維流動特性，不僅有助于典型尾渦流場的流動特性研究，同時也為梢渦空化數值模擬研究提供了三維數據參考。研究首先討論了梢渦的擺動特性及其影響情況，突出了擺動濾除對渦流場定量分析的重要性；其次對梢渦三維流場結構展開分析，重點強調梢渦與剪切層間的相互作用及其對梢渦流場的影響情況；最后討論了渦核內部的脈動特性，結合前人工作明晰了渦核中心湍流脈動壓力的主要來源，闡明了流動特征與空化的聯系。結果表明：

1）近尾跡區域內，水翼梢渦存在各向異性的偏移及擺動（偏移：法向 < 展向；擺動：法向 > 展向）。未考慮旋渦擺動的直接時間平均會引入較大偏差，影響梢渦時均流場、脈動流場結果的準確性。采用旋渦中心對齊平均方法能有效濾除擺動帶來的影響。

2）在近尾跡區域內，水翼梢渦具有典型的三維特性，其瞬時三維形態不規則，且與水翼脫落剪切層相互作用明顯，具體表現為梢渦流場中的高速軸向流動區域出現于渦核與剪切層之間，受剪切層作用側的切向速度明顯較低。向下游發展，剪切層的作用明顯減弱，高速軸向流動也隨之衰減，渦核中心兩側切向速度峰值差降低，梢渦尺寸增大。

3）梢渦流場中湍流脈動集中分布于渦核內部，且該湍流脈動主要來自法向、展向上的速度脈動。基于無量綱脈動壓力公式進一步發現，這2個方向上的速度脈動是渦核內部湍流脈動壓力的主要來源。