基于粒子图像测速技术的潜艇尾流场实验教学

2021-04-27赵大刚郭春雨周广利

实验室研究与探索 2021年3期

赵大刚，徐鹏，韩阳，郭春雨，孙聪，周广利

（哈尔滨工程大学船舶工程学院船舶与海洋工程国家级实验教学示范中心，哈尔滨 150001）

0 引言

各大高校将实验课程视为培养创新性人才必不可少的重要环节，逐渐加大实验课程投入力度［1-2］，开发新颖实验教学方法，提高教学质量［3-4］。而枯燥乏味的流体力学课程亟待引进新颖实验设备与实验方法来激发学生的学习兴趣、提高教学质量。如何将新颖实验方法与课堂实验教学相结合，是目前流体力学教学中重要问题［5-7］。2019年课题组尝试将流场测量技术引进实验教学［8］，并建立了以先进粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）为基础测量手段的学生实验教学方案，成功探索了流体力学课程新颖实验教学方法，并取得不错的教学成效。

1 PIV技术

PIV技术诞生以来，由于其无接触、瞬时、全局的测量优点［9］，迅速成为科研人员手中的利器［10-11］。不仅能够测量流场的速度信息，还能够通过速度场派生出更多物理场信息，如压力场等。近年来，随着PIV技术的普及和快速发展，PIV技术成为目前流体力学领域应用最为广泛的测量手段［12］。

根据空间测量能力PIV可分为二维和三维PIV，根据时间分辨能力进一步分为TR-PIV。PIV系统一般由高速相机、激光器、同步器和采集系统构成。通过在待测流场中布撒跟随性、反光性良好的示踪粒子，利用激光片光照射待测截面，由高速相机捕捉示踪粒子的运动信息，最后通过分析软件得到示踪粒子的速度信息，即为待测流场的速度信息。

2 实验教学设计

在课题组先前的尝试基础上，进一步将PIV流场测量技术应用于实验教学中，以潜艇水动力实验为例简要介绍PIV测试技术在实验教学中的应用。

2.1 实验模型与工况

实验采用的潜艇模型为标准SUBOFF模型等比例缩放而成，长度为1 m，由聚乳酸（PLA）材料经3D打印制成。潜艇模型表面打磨光滑，制作防水涂层，为防止在测量过程中激光强反光，对模型进行喷涂处理，艇体首部L／20处加装激流装置以加快艇体表面的层流转淚，潜艇模型如图1所示，详细参数见表1，实验工况见表2。

图1 SUBOFF模型

表1 SUBOFF模型主要参数

表2 实验工况表

2.2 实验设备

实验在校船模水池实验室进行，拖曳水池如图2所示，其基本参数为：

拖曳水池长×宽×深＝108 m×7 m×3.5 m；

拖车稳速范围0.1～6.5 m／s；精度0.1%。

图2 拖曳水池实物图

实验所用的PIV测量系统为丹麦Dantec Dynamics公司专门为我校设计的一款2D-3C级别的水下SPIV系统，布置形式为随车式且放置于拖车右侧。该套系统包括一个浸没水中的雷体、两个翼型支架、脉冲式激光器、同步器、图像采集装置、粒子播撒装置等。SPIV系统如图3所示，PIV性能指标如表3所示。

图3 SPIV系统

表3 PIV性能指标

通过固定支架将潜艇模型固连在拖车测桥上，固定方式为艇尾固定，如图4所示。PIV互相关分析参数如表4所示。

图4 实验现场

表4 互相关分析相关参数

2.3 实验流程

实验主要有以下几个步骤（见图5）：

（1）潜艇水动力实验前期准备；

（2）连接潜艇水动力实验装置；

（3）完成系统标定，并播撒足量示踪粒子；

（4）激光照射待测流场，示踪粒子在激光片光的照射下形成粒子散光；

（5）同时利用2台高速相机捕捉待测流场中示踪粒子位置信息，生成一对互相关图像；

（6）对多幅粒子图像对进行降噪、矢量生成和去矢量误配，合成最后尾流场。

图5 流场测速实验流程

2.4 实验结果

通过掩膜、互相关分析等操作，得到螺旋桨盘面流场瞬态速度图，将一系列的瞬时速度云图平均化处理得到的时均伴流场轴向速度云图，如图6所示。

图6 4D潜深下实验结果

由图6可见，本实验PIV测试大致描绘出了潜艇桨盘面处流场的几项重要特征。首先，速度云图呈现出沿桨轴径向速度值连续增加的圆圈式形状；其次，4个十字舵角度最外侧的速度等值线向外凸出，对应速度等值线0.8～0.95表现出了十字舵后端由于速度削减效应产生的低速区的存在；另外，内侧的速度等值线朝向桨轴中心凹陷，对应速度等值线0.4～0.7。这是由于主附体交接部的马蹄涡作用造成的动量交换，使得中心位置动量增加，两侧动量降低，从而形成近似V型的速度等值线结构。在径向上表现为马蹄涡将高动量的流体卷携至径向内部，低动量的流体卷携至径向外部。大潜深工况下，航速的变化代表雷诺数影响，随着Fr数增加即Re增加，流场结构特征基本一致。

3 教学成效

船舶与海洋工程专业课程中船舶快速性实验、船舶耐波性实验等课程均为验证性实验，学生仅得到宏观层面的力与力矩，无法从微观层面理解产生力与力矩的流体力学本质，这大大限制学生的创新能力，给教学质量的提高带来困难。同时，船舶领域在短短的几十年时间里发展出一系列先进测试技术，学生不仅需掌握传统测试方法，更应该了解本专业领域先进测量方法，以适应领域需求。将PIV流场测试技术引进课堂，不仅仅是传统教学的提升，更是时代潮流所趋。

在实验中，学生们了解PIV测试技术的原理与组成的同时，还能够锻炼学生的动手能力、协作能力，也是从另一方面对学生掌握测试原理的检验。从微观流场结构方面对宏观层面的力与力矩产生更加深刻的认知，加深了学生对所学原理的理解，巩固所学知识。

教师在教学的同时能够激发自己的科研灵感，不断创造出新的实验方法和技术来支撑关键科学问题的研究与探索。同时，科研成果的产出进一步转化为实验教学，提高教学质量。这种研学结合新模式形成一种良性循环，在扩大科研成果产出的同时，能够带领学生对本专业领域先进测试技术有基本了解，新颖的实验方法与设备更能够激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

自本课题组采用此教学方式以来，取得了不错的教学成果，得到学校教学层面的认可。学生学习兴趣得到提升，同时还能够将教学实验成果化，学生在指导下创造性地完成多项科研成果产出［13-16］。