PIV技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用

王晓强，刘怀西，马山，郭春雨

1海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉430064

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001

PIV技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用

王晓强1，刘怀西2，马山2，郭春雨2

1海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北武汉430064

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001

［目的］为研究船舶横摇过程中粘流场细节以提高横摇阻尼数值模拟精度，［方法］开展了粒子图像测速（PIV）技术在静水强迫横摇水动力测试中的应用研究。首先，采用自制的强迫横摇装置在水池中开展某驳船在不同摇幅和振荡周期下船舶横摇水动力与舭部流场的同步测试。观测舭部粘流场在船体振荡过程中的变化规律，研究横摇阻尼系数随摇幅和周期的变化规律。然后，将模型试验测试结果与计算流体动力学（CFD）软件模拟结果进行对比。［结果］结果表明，CFD预报船舶横摇整体阻尼系数精度较好，但预报的局部流场细节与模型试验测试结果间存在一定的差异，［结论］需在模型试验技术和CFD预报技术上开展进一步研究。

粒子图像测速；CFD；横摇运动；横摇阻尼系数；流场测量

0 引 言

横摇运动是影响船舶在波浪中航行性能的重要指标，目前国际海事组织（IMO）正在制定第二代完整稳性规范［1］，其中大幅横摇运动作为参与参数横摇、瘫船稳性和过度加速度这3类风浪中动稳性问题的影响因素，受到造船行业的广泛关注。横摇阻尼是影响船舶横摇运动的重要因素，对其准确估算因涉及到复杂的流体涡流效应而成为水动力学研究中的一个关键问题。传统的船模横摇水动力测试试验往往关注横摇阻尼系数的定量获取，而忽视了横摇运动扰动流场细节的定性观察。

随着流动显示技术的发展，粒子图像测速（PIV）技术由于其在精细流场监测方面的强大能力而在水池试验中应用越来越广泛。将其应用到船舶横摇阻尼水动力测试中，可以监测横摇运动时船体舭部流动分离、漩涡泄出等与船舶横摇性能密切相关的物理现象，已成为研究横摇水动力物理特性、辅助数值建模的重要技术。

在国外，PIV技术发展较早且在水池试验中已开展了较广泛的应用。Bassler等［2］针对DTMB 5699船舯剖面开展了大幅强迫横摇水动力测试试验，通过舭龙骨水动力载荷和舭部PIV精细流场测试研究了大幅横摇过程中的水动力阻尼规律。Kawata和Obi［3］利用PIV系统获得湍流场的速度信息，研究了流场速度与压力的关系。Irkal等［4］在水槽中开展了某矩形截面船体剖面自由衰减横摇测试研究，采用PIV技术进行横摇过程中舭部粘流场测试，研究测量了不同尺寸和构型舭龙骨下的流场特征，并将结果与CFD仿真结果进行了对比。

在国内，PIV技术在水动力流场研究中的应用相对较晚，但近些年发展较快。例如，李广年等［5］在大型空泡水洞中成功开展均匀来流下的螺旋桨测试研究，验证了PIV技术在这一领域应用的可行性；郄禄文等［6］基于PIV技术，研究了规则波作用下不同形式防波堤周围的涡旋场特性。当前，国内介绍PIV技术在船模水池试验中应用的文献较少，尚未见到将PIV技术用于船模横摇水动力流场测试方面的内容。

目前，CFD技术在船舶水动力学研究中发展迅速，能够面向整个流场提供任何位置的物理信息［7］，如湍流强度、雷诺数、漩涡强度、流场速度矢量等，便于与水池试验的结果进行比较，更好地了解流场特性。Zhou等［8］采用三维粘流分析软件对4种不同类型船舶零航速下自由衰减横摇运动进行了模拟，数值结果得到了模型试验的验证，表明CFD技术在船舶横摇阻尼预报上有很好的适用性。Begovic等［9］采用CFD技术对DTMB 5415标模在完整和破损情况下零航速自由衰减横摇阻尼开展了分析研究，对网格、时间步长和湍流模型等敏感因素进行了分析。Yildiz等［10］针对S60船舯剖面在有限水深情况下开展了强迫横摇水动力测试试验，基于测试数据对比分析了CFD结果和Ikeda经验公式预报结果的计算精度。

本文将开展PIV技术在驳船船模强迫横摇试验中的应用研究，该试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行。试验中，利用先进的PIV系统精确测量扰动流场的物理信息，通过示踪粒子图像处理可视化显示船模横摇运动时船体舭部附近的流动分离、漩涡泄出等现象，研究船舶横摇运动特性。并利用商业CFD软件进行这一问题的数值模拟，做出二者结果定性和定量的比较。

1 PIV工作原理及其系统组成

1.1 PIV工作原理

PIV技术结合了光学技术、图像处理技术和计算机技术的研究成果，利用专业设备获取全流场的实时物理信息，达到对整个流场的精确测量。可提供丰富的流场空间信息及速度矢量、流线、漩涡等流动信息。

基于PIV技术的试验内容主要为：

1）在流场内均匀布置示踪粒子，示踪粒子的运动反映所在流场内相应位置处的流体质点运动状况。

2）用足够强的自然光或激光光源照射所测流场的平面，由于粒子对光的散射作用，利用CCD相机或其他成像系统记录连续2次曝光或多次曝光的粒子图像。

3）根据各相邻粒子图像中同一粒子间的距离和脉冲时间间隔，处理得到整个监测域的速度场。

4）至于涡量场等其他流场信息，通过对速度场数据处理得到。

1.2 PIV系统组成

通过上面的原理介绍可以看出，PIV系统主要由示踪粒子、成像系统和图像处理系统3部分组成。

1）示踪粒子。

需要满足以下条件：散布均匀、流动性和跟踪性好、反光性良好、粒子比重与流体密度相当。其中“流动性与跟随性好”要求粒子半径要小，“反光性好”要求粒子半径不能太小。因此，挑选粒子时需综合考虑各因素，选择达到整体效果最佳的粒子。

2）成像系统。

包括双脉冲激光片光源、透镜和照相机。当激光器产生的光束经过透镜散射后形成约1 mm的片光源入射到流场待测区域时，CCD相机以垂直于片光源的方向对准该区域，利用示踪粒子对光的散射作用记录下2次或多次脉冲激光曝光时粒子的图像，形成2幅相同待测区域、不同时刻的PIV底片。

3）图像处理系统。

根据粒子图像提取速度场。将粒子图像分成若干很小的区域（查询区），利用互相关法或自相关法求取查询区内粒子位移的大小和方向，由于脉冲激光片光源的脉冲时间间隔一定，这样就能计算得到粒子的速度矢量。通过这样逐一查询的方式，得到整个流场的速度矢量场。

2 强迫横摇水动力试验条件及内容

2.1 试验条件及设备

试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行。图1和图2所示为试验的水池状况及试验设备。下面给出试验水池参数以及PIV系统的设备参数。

2.1.1 试验水池的条件及主要指标参数

1）拖曳水池。其长×宽×水深分别为108 m× 7 m×3.5 m。

2）拖车。其稳速范围为0.1～6.5 m/s，精度为0.1%。

3）数据采集与分析处理系统。其型号为DEWE2010，精度16 bit。

水池拖车上配有传感器和数据采集系统，可采集横摇试验中的船模角位移、受力及力矩等数据，利用这些数据后处理得到船模在各频率及摇幅下的横摇阻尼系数。

2.1.2 PIV系统设备及主要技术指标

在该船模强迫横摇水动力试验中，利用随车式PIV系统监测船体舭部附近流场的流动情况，得到速度场、涡量场等流场细节。所采用设备及其主要技术指标如下。

1）CCD相机分辨率：2 048×2 048像素；

2）激光器最大脉冲能量：1 200 mJ；

3）激光光束持续时间：4 ns；

4）激光波长：532～1 064 nm；

5）光片厚度：0.6 mm；

6）测量区域大小：400 mm×400 mm；

7）PIV示踪粒子：聚酰胺示踪粒子（PSP-50 μm）；

8）PIV兴波测量实验数据分析设备：DynamicStudio（Smart Software for Imaging Solutions）。

2.2 试验对象及参数

试验对象为玻璃钢驳船模型。为简化船型带来的影响，该驳船横截面为矩形，吃水和船宽沿船长方向不变，其空船重量为56.1 kg，经压载调整后得到试验时的船模主尺度参数如表1所示。

试验测试横摇幅值分别为 0.06，0.11和0.24 rad，在主要可能频率下进行强迫横摇试验。处理试验结果将得到不同摇幅、不同频率下的横摇阻尼系数，以及各工况下的流场速度矢量图和涡量图。

2.3 试验过程

静水强迫横摇试验是评估船舶横摇性能的基本试验，可以在整个振荡频率范围上测出横摇水动力特性和大幅横摇时的非线性阻尼系数。试验中，将船模平衡放置，利用自研的强迫横摇装置让船模绕固定转轴做给定摇幅和振荡频率的简谐横摇运动。

船模强迫横摇运动形式为

式中：θ0为船模强迫横摇幅值；ω为横摇圆频率。

本试验中的数据采集分为2部分。第1部分是流场信息的采集，利用PIV系统完成；第2部分是横摇转角及力矩的测量，利用车载传感器和数据采集系统完成。2部分内容在试验中同时进行。

图3和图4分别为强迫横摇运动装置效果图以及模型试验中强迫横摇PIV精细流场测试工作图。其中，强迫横摇装置由固定装置（1）、控制与驱动装置（2）、曲柄导轨移动机构（3）、连杆驱动机构（4）、测力和力矩天平（5）共5部分组成。PIV脉冲激光片光源位于船模一侧，通过连续发射激光测量流场流动。试验时在流场中散播示踪粒子，用脉冲激光片光源照射船模舭部附近的流场区域，通过连续2次曝光，粒子图像被记录在CCD相机底片上，摄取该区域粒子图像的帧序列，并记录相邻2帧图像之间的时间间隔，利用图2中Dyanmic Studio软件进行图片相关分析，获得粒子图像，进而得到船模舭部附近速度矢量图。利用TECPLOT后处理软件根据Dynamic Studio分析得到的速度矢量图计算船模舭部附近的涡量图。本次强迫横摇水动力试验选择的激光脉冲间隔为0.135 s。

3 结果与讨论

根据以上强迫横摇试验测量得到的水动力数据，可以计算出横摇阻尼系数。同时，将其与CFD结果进行比较，验证CFD方法的精确性。最后，给出二者得到的流场信息对比。

3.1 水池试验结果

本节给出横摇水动力和流场信息的试验结果并对其进行深入分析。图5所示为根据水池试验数据得到的3个横摇幅值下的船模横摇阻尼系数。图中，纵坐标B44为无因次横摇阻尼系数。

从图中可以看出，总体趋势上，当横摇角幅恒定时，无因次横摇阻尼系数随船模横摇频率的增大而增大，且增大的速率由横摇角幅确定，角幅越大，阻尼系数越大。这与实际经验相符合，船舶横摇角度越大，摇得越快，则流体阻尼作用越显著。在测试过程中，受机构设计上的限制，本文没有开展0.24 rad（约13.75°）以上摇幅的横摇阻尼测试。大幅横摇下，船舶横摇水动力阻尼受舭部出、入水过程和自由面效应影响，水动力阻尼系数随摇幅和振荡频率的变化将更为复杂，其具体规律需开展进一步的模型试验测试和理论分析才能确定，针对图5的分析结论不适用于本文没有讨论的更大摇幅情况。

图6所示为通过PIV测量得到的船体横剖面附近流场的速度矢量图。选取的试验参数为横摇幅值0.06 rad，横摇周期1.24 s。

在速度云图中，箭头表示粒子所在流体位置处流场的速度方向，颜色不同表示速度的大小不同。由t=0.27 s到t=1.08 s的速度云图（图6中左侧）可以看出，随着船舶横摇到不同角度，船体舭部附近的流场出现流动分离现象，船体舭部出现漩涡，体现在舭部附近的速度矢量明显比舭部周围要杂乱不规律，并且呈漩涡状。而且，从速度云图中可以看出，相对其他区域的流场速度，船体舭部附近的流场速度矢量颜色要更深一些，即速度要大一些。这也就说明横摇运动时舭部附近的流速要相对快些。

通过对PIV流场信息图的观察发现：在一个运动周期内，船模横摇时舭部的流场速度要比其他地方大，舭部附近出现明显的漩涡；涡脱落现象主要集中在拐角区域。随着横摇运动的进行，拐角处的漩涡逐渐由产生到分离再到脱落，连续交替进行。另外在图6中我们也注意到船舶舭部流场信息有空白之处，其原因是在模型试验过程中船体表面出现了反光现象，影响了局部区域粒子图像测试效果和后续的速度流场分析，使得该区域测试流场失真，故将相关信息擦除了。针对该问题的有效解决办法是在船体表面进行更为有效的涂漆操作，相关模型试验技术将在后续试验中进行研究。

3.2 CFD数值模拟结果

首先，比较水池试验与CFD方法得到的横摇水动力系数，以定量验证CFD方法的有效性。

关于CFD方法计算船模强迫横摇阻尼系数的基本原理，这里简要给出。

对于单自由度强迫横摇二维数值模拟，其强迫横摇运动的形式与模型试验中强迫横摇形式相同，如式（1）所示。

通过UDF编译程序，将强迫横摇数值模拟水动压力场中去除重力影响外的动压力 pd沿船体表面积分得到强迫横摇动力矩Md。

将Md分解为惯性项和阻尼项，即

式中，A44为船舶横摇附加质量系数。

通过基于CFD获得的强迫横摇动力矩Md，可获取船舶横摇附加质量系数A44和无因次横摇阻尼系数B44。可采用的方法包括傅里叶级数展开法、水动力载荷时历的最小二乘拟合等。需要说明的是，即使针对同一段载荷时历，不同的数据处理方法获得的横摇附加质量和阻尼系数数值结果也会存在一定的差别，特别是水动力载荷时历中量级相对较小的阻尼力，其阻尼系数的处理结果受处理方法的影响更大一些。

本文采用的方法属于水动力载荷时历中的最小二乘拟合。由于数据处理过程会引入误差，为尽量减小该误差，在具体的数据拟合过程中，本文在CFD模拟获得的横摇动力矩Md较为稳定的时间段选取了多个横摇周期结果开展拟合以获得横摇阻尼系数。

对数值模拟获得的横摇动力矩Md进行数据拟合，具体形式如下：

式中：M0为横摇动力矩幅值；ω和γ为其频率和相位角。横摇动力矩的变化周期与横摇周期相一致。

通过对比式（2）和拟合后的式（3），可以得到：

根据以上原理，并合理划分流场网格，定义湍流模型、网格数量、边界条件和初始条件，开展基于雷诺平均纳维—斯托克斯（RANS）的强迫横摇粘流模拟，可计算出该模型的横摇阻尼系数。这里不做具体讨论，可查看文献［11］，该文详述了二维强迫船模横摇试验的FLUENT软件模拟细节，并做了数值模拟有效性验证。

图7给出了数值模拟与水池试验船舶横摇阻尼系数结果的比较。从图中可以看出，二者总体上吻合较好，这表明CFD数值模拟是船舶横摇水动力阻尼问题分析的有效手段。

图8给出了针对本模型试验某横摇工况利用CFD软件FLUENT模拟得到的涡量场云图与PIV测试结果的比较。由图可知，数值结果也捕捉到了船体舭部附近的流动分离和漩涡泄出现象，其与测试流场相比相似但并不完全一致。本文针对模型试验中多组试验工况进行了数值仿真流场与测试流场细节的详细对比，总体上看数值模拟结果在船舶舭部的流场细节上与模型试验结果间有一定的差距，符合程度不如图7给出的横摇阻尼数值模拟和模型试验结果。分析表明，其原因应该是多方面的，涉及到CFD湍流模型对船舶舭部粘流场模拟的精细程度、模型试验流场可重复性考察验证和非定常横摇运动流场的瞬态变化特征等多种因素，尚需进一步研究。

4 结 论

本文将PIV流场测试技术应用于船舶大幅横摇水动力精细流场测试分析工作，在船舶拖曳水池开展了强迫横摇水动力测试模型试验，获得了横摇水动力阻尼系数和横摇过程中船体舭部的流场细节，并将相关结果与CFD数值仿真结果进行了横向比较分析。主要结论如下：

1）基于PIV测试获得了船舶强迫横摇舭部粘流场，给出了流场速度分布和旋涡在振荡周期内的生成和脱落情况，揭示了横摇水动力流场的局部特征，可用于验证CFD数值模拟结果。

2）针对零航速驳船，在最大测试摇幅13.75°以内，将CFD数值模拟横摇阻尼系数与模型试验测试结果进行对比，二者吻合较好，表明CFD模拟技术总体上能够捕获横摇过程中总体水动力粘性效应，较为有效。

3）通过横向比较强迫横摇驳船舭部粘流场局部细节的CFD仿真与PIV测试结果发现，二者总体上存在一定的差异，表明用CFD精细模拟船舶强迫横摇粘流场局部细节比模拟总体的粘流阻尼难度要大。要想使CFD仿真与PIV测试取得更为一致的结果，需在湍流模型选择和模型试验技术上开展进一步的研究。

［1］ PETERS W，BELENKY V，BASSLER C，et al.The second generation intact stability criteria：an overview of development［J］.Transactions-Society of Naval Ar⁃chitects and Marine Engineers，2011：121.

［2］ BASSLER C C，REED A M，BROWN A J.Character⁃ization of physical phenomena for large amplitude ship roll motion［C］//The 29th American Towing Tank Con⁃ference.Annapolis，Maryland：［s.n.］，2010.

［3］ KAWATA T，OBI S.Velocity-pressure correlation measurement based on planar PIV and miniature static pressureprobes［J］.ExperimentsinFluids，2014，55：1776.

［4］ IRKAL M A R，NALLAYARASU S，BHATTACHA⁃RYYA S K.CFD approach to roll damping of ship with bilge keel with experimental validation［J］.Applied Ocean Research，2016，55：1-17.

［5］ 李广年，张军，洪方文.螺旋桨尾流动态结构实验研究［J］.工程力学，2010，27（12）：238-243.

LI G N，ZHANG J，HONG F W.Experiment on dy⁃namic structure of propeller wake［J］.Engineering Me⁃chanics，2010，27（12）：238-243（in Chinese）.

［6］ 郄禄文，杜闯，张翔，等.基于PIV技术不同形式防波堤周围涡旋场特性研究［J］.海洋通报，2014，33（2）：204-214.

QIE L W，DU C，ZHANG X，et al.Research on the characteristics of the vortex field of breakwaters by the PIV technique［J］.Marine Science Bulletin，2014，33（2）：204-214（in Chinese）.

［7］ XIE N，VASSALOS D，LEE B S.Prediction of roll hy⁃drodynamics of cylinders fitted with bilge keels with RANS［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（6）：839-847.

［8］ ZHOU Y H，MA N，SHI X，et al.Direct calculation method of roll damping based on three-dimensional CFD approach［J］.Journal of Hydrodynamics：Ser.B，2015，27（2）：176-186.

［9］ BEGOVIC E，DAY A H，INCECIK A，et al.Roll damping assessment of intact and damaged ship by CFD and EFD methods［C］//Proceedings of the 12th In⁃ternational Conference on the Stability of Ships and Ocean Vehicles.Glasgow，UK：STAB，2015.

［10］YILDIZ B，ÇAKICI F，KATAYAMA T，et al.URA⁃NS prediction of roll damping for a ship hull section at shallow draft［J］.Journal of Marine Science and Technology，2016，21（1）：48-56.

［11］ 程锦，马山，段文洋，等.箱型浮体横摇水动力系数黏流模拟的影响因素分析［C］//第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会论文集：F船舶与海洋工程流体力学.北京：海洋出版社，2014.

CHENG J，MA S，DUAN W Y，et al.The sensitivity factor analysis of the roll motion hydrodynamic coeffi⁃cients using viscous flow simulation method［C］//Pro⁃ceedings of the 26th National Hydrodynamic Confer⁃ence.Beijing：Ocean Press，2014（in Chinese）.

Investigation of the hydrodynamic model test of forced rolling for a barge using PIV

WANG Xiaoqiang1，LIU Huaixi2，MA Shan2，GUO Chunyu2
1 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

In order to study the physical details of viscous flow in ship roll motions and improve the accuracy of ship roll damping numerical simulation,the application of the Particle Image Velocimetry(PIV) technique is investigated in model tests of forced ship rolling in calm water.The hydrodynamic force and flow field at the bilge region are simultaneously measured for barges at different amplitudes and frequencies in which the self-made forced rolling facility was used.In the model test,the viscous flow variation with the time around the bilge region was studied during ship rolling motion.The changes in ship roll damping coefficients with the rolling amplitude and period were also investigated.A comparison of the model test results with the Computational Fluid Dynamics（CFD）results shows that the numerical ship roll damping coefficients agree well with the model test results,while the differences in the local flow details exist between the CFD results and model test results.Further research into the model test technique and CFD application is required.

Particle Image Velocimetry（PIV）；Computational Fluid Dynamics（CFD）；ship roll motion；roll damping coefficients；flow field measurements

U661.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.006

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1631.038.html

王晓强，刘怀西，马山，等.PIV技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用［J］.中国舰船研究，2017，12（2）：49-56.

WANG X Q，LIU H X，MA S，et al.Investigation of the hydrodynamic model test of forced rolling for a barge using PIV［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：49-56.

2016-08-25 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 16:31

国防基础科研计划资助项目（B2420132001）；国家自然科学基金资助项目（51379045，51679043，51679053）

王晓强，男，1981年生，博士，工程师。研究方向：船舶水动力性能与结构动响应。E-mail：wxq11211@163.com

刘怀西，男，1990年生，硕士生。研究方向：船舶水动力性能。E-mail：huaixi0418@163.com

马山（通信作者），男，1976年生，博士，教授。研究方向：船舶水动力性能。

E-mail：mashan0451@126.com

郭春雨，男，1981年生，博士，教授。研究方向：船舶推进节能与模型试验技术。

E-mail：guochunyu@hrbeu.edu.cn

期刊网址：www.ship-research.com