激光诊断测试技术在实验教学中的应用与探索

2023-12-11郭春雨

实验室研究与探索 2023年9期

韩阳，徐鹏，郭春雨，王超，孙聪

（1.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；2.哈尔滨工程大学青岛创新发展基地，山东青岛 266000）

0 引言

国家逐渐重视创新性人才的培养，实验课程改革正在各大高校如火如荼开展［1-3］。在借鉴国内外相关课程改革的基础上，更应该结合学校、学生本土实际情况，做出相应调整，不能一味地照搬照抄［4］。如何充分调动学生的动手能力，加强学生在课堂上的自主性和积极性，是目前需解决的难题。教育部在《关于全面提高高等教育质量的若干意见》中指出，“创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学”［5］，给目前的课程改革指明方向。加大对学生自主探究、讨论和解决问题能力的培养，充分调动学生在课堂上的自主性和积极性，是目前最棘手的问题。学校在响应国家号召的基础上，充分调研学生出勤情况、兴趣课程及教师意见，积极开展实验教学改革，引进新型试验技术手段，拓展新型实验方法来培养创新性人才，培养学生对待探究能力、解决问题的能力［6-10］。

传统流体力学晦涩难懂，学生学习积极性不高，课堂出勤率以及学习成绩与其他课程相比具有明显的下滑。本文将激光诊断测试技术引入流体力学实验课程中，加强对学生探究问题、动手能力的培养，自课程改革以来，取得不错成效。

1 粒子图像测速技术

粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）是基于光学测量的一种非接触式测量技术，可以获得测量截面内粒子的位移信息，进而得到两个速度分量。采用多台相机，可以获得一个截面内或一个测量空间内的所有速度分量信息［11-12］。PIV 具有无接触、瞬态、全局的测量有点，是研究流场特征推荐使用的测试技术［13］。

在PIV中，通过测量粒子在两个激光脉冲之间的运动，从待测区域中查询窗口中得到速度矢量信息：

在待测区域内，利用激光片光照亮示踪粒子，相机镜头将待测区域成像到高速相机的传感器阵列上。相机传感器能够在单独的图像帧中捕捉每一个光脉冲。一旦两个光脉冲序列被记录下来，图像就被分成小的部分，称为查询窗口。每个图像帧的I1和I2查询窗口之间进行互相关计算。相关产生一个信号峰值，确定粒子平均位移Δx，通过亚像素插值精确测量位移信息，进而根据两脉冲之间的时间间隔获得速度场信息。在CCD相机捕获的两帧图像上，对每个询问区域重复互相关计算，得到整个目标区域的速度矢量图［14］。

如图1 所示为PIV 原理示意图，最简单的PIV 系统主要由高速相机、激光器和同步器组成。

图1 PIV原理示意图

2 实验教学设计

以船艏入水实验为例，展示激光诊断技术在实验教学中的应用，以期为相关课程及学者提供教学改革思路。

2.1 实验模型与工况

采用简化的二维船艏为本次试验模型，如图2 所示，实验工况数据如表1 所示。

表1 实验相关参数

图2 简化的二维船艏模型

2.2 实验设备

物体入水实验平台如图3 所示，鼓励学生自主设计实验装置，动手搭建实验测试平台。试验装置由铝型材框架、下落滑轨和透明水箱构成。透明水箱由亚克力玻璃制成，选取透明材质便于高速相机拍摄流场中示踪粒子的信息。水箱坐落于铝型材框架上，底端与地面留有0.8 m距离，便于布置激光器。试验时水箱中水深0.3 m，水箱上端设有两根相互平行且垂直于水平面的滑轨，滑轨长0.8 m，滑轨中间设置有电磁装置，利用通电开关控制物体下落。试验时将下落物体通过电磁效应固定在下落滑轨上，关闭电磁开关，下落物体在没有磁力的作用下开始做自由落体运动，通过高速相机捕捉入水瞬时的流场特征。

图3 入水实验平台示意图

图4 为工作中的激光诊断系统，所采用的高速相机型号为NAC Memrecam HX-6 高速CMOS 相机，分辨率为1 280 pixel×1 000 pixel，采集帧率为4 kHz，镜头为尼康50 mm f1.4 大光圈镜头。

图4 工作中的激光诊断系统

激光器为一台波长532 nm的10 W Nd：YAG连续激光器，输出功率0 ～10 W可调，激光片光厚度2 mm，光腰直径3 mm，功率稳定度小于1%（见图5）。

图5 连续激光器

选取由Dantec 公司制造的空心玻璃微珠作为本次研究的示踪粒子，平均颗粒直径50 μm，密度1.1 g／cm3，折射率1.52，具有良好的反光性和跟随性，试验分析中的相关参数见表2。

表2 互相关分析参数

2.3 实验流程

实验主要有以下几个步骤：

（1）船艏入水实验前期准备，如搭建实验平台，安装电磁设备，透明水箱注水等；

（2）连接高速相机与激光器并调试相关参数，如调整焦距、光圈、激光强度等；

（3）在透明水箱中布撒示踪粒子，粒子浓度适中，且均匀分布在待测流场中，并对待测流场进行标定；

（4）激光片光照射布撒在水中的示踪粒子，控制电磁开关，使船艏模型做自由落体运动，同时控制高速相机开始采集；

（5）对采集得到的原始图像进行图像去噪、互相关分析等操作，进一步通过软件分析得到待测流场中的速度信息；

（6）分析数据，得出结论。

2.4 实验结果

图6 为高速相机采集得到的原始数据，可以看出，船艏模型与水体、气相与液相具有明显的分界线，且产生堆积区域与射流。在进行流场分析时，只计算液相区域，这里的流场是我们更加关注的。

图6 高速相机采集到的原始数据

图7 为不同下落时刻流线分布，流线能够很好地给出流场的流动结构，能够形象地展示液体的流动方向。

图8 为不同下落时刻流场信息。不同时刻下的流场最大速度均出现在堆积区域，并形成沿船艏壁面的射流。流体受到船艏模型的排挤作用，成散射状向外发散。在下落到20 ms时，由于船艏内凹壁面的影响，出现空腔。空腔处速度降低，将原本连续的速度等值线分成了上下两部分。

3 教学成效

将激光诊断技术引进流体力学课堂中，使得原本晦涩难懂的力学课程变得生机活力。改变原有传统的验证型实验教学，变为探索性、启发性实验教学，充分锻炼学生的动手能力、解决问题能力。从实际问题出发，构建问题简化模型，搭建实验平台，将传统试验中的力与力矩改变为展示更多的流场结构与细节。自从实验改革实施以来，取得不错成效，力学课程中学生的出勤率明显提高，伴随而来的便是成绩的提升。启发式、探究式、讨论式、参与式的教学方式，提高了学生学习的自主性，形成了学生解决问题的思维方式，培养了创新性人才。同时，学生在科创比赛以及科研论文等工作中均取得优异成绩［15-18］。