三維PIV應(yīng)用于船舶精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試研究進(jìn)展

李茂華，龔　杰

三維PIV應(yīng)用于船舶精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試研究進(jìn)展

李茂華1，龔杰2

1中國(guó)人民解放軍63680部隊(duì)，江蘇無(wú)錫214000
2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

精細(xì)流場(chǎng)作用現(xiàn)象和流動(dòng)細(xì)節(jié)對(duì)解決船舶與海洋工程領(lǐng)域的疑難問(wèn)題有重要影響，粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一瞬態(tài)時(shí)刻記錄大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，可提供豐富的流場(chǎng)空間信息及流動(dòng)特性。三維粒子圖像測(cè)速（SPIV）技術(shù)在國(guó)外已被成功用于研究水面艦船和潛艇在高海況下與船體大幅運(yùn)動(dòng)有關(guān)的復(fù)雜粘性現(xiàn)象及殼體大規(guī)模流體分離現(xiàn)象，取得了一定的研究成果；在國(guó)內(nèi)，SPIV技術(shù)也已應(yīng)用于船舶尾流場(chǎng)測(cè)量及艦船噪聲測(cè)量中，試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)反映流場(chǎng)特征。未來(lái)SPIV試驗(yàn)將與CFD方法相結(jié)合，向?qū)嵈囼?yàn)研究方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、CCD性能的發(fā)展，多方位測(cè)量的SPIV系統(tǒng)將是未來(lái)重要的研究方向。關(guān)鍵詞：三維粒子圖像測(cè)速；精細(xì)流場(chǎng)；流動(dòng)特性；綜述

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1214.019.html

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引用格式：李茂華，龔杰.三維PIV應(yīng)用于船舶精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試研究進(jìn)展［J］.中國(guó)艦船研究，2015，10（1）：58-67.

LI Maohua，GONG Jie.Development of 3D-PIV applied on fine flow field testing of ships［J］.Chinese Journal of Ship

Research，2015，10（1）：58-67.

0　引言

粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry， PIV）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無(wú)接觸式的流體力學(xué)測(cè)速方法［1］。PIV技術(shù)克服了單點(diǎn)測(cè)速技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)了在同一瞬態(tài)時(shí)刻記錄大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，可提供豐富的流場(chǎng)空間信息及流動(dòng)特性。PIV技術(shù)可選擇粒子濃度使其成為較高成像密度模式［2］，在PIV技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于其應(yīng)用激光光源照亮流場(chǎng)待測(cè)區(qū)域，應(yīng)用照相系統(tǒng)對(duì)待測(cè)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中所有測(cè)量裝置均對(duì)流場(chǎng)不產(chǎn)生擾動(dòng)，故PIV技術(shù)具有較高的測(cè)量精度。

最先進(jìn)的三維粒子圖像測(cè)速（簡(jiǎn)稱SPIV或3D-PIV）系統(tǒng)采用立體數(shù)碼照相技術(shù)，即采用多臺(tái)CCD相機(jī)從不同方位記錄被照明流場(chǎng)的一個(gè)剖面，根據(jù)兩臺(tái)相機(jī)空間位置投影關(guān)系和視差，將兩臺(tái)相機(jī)的各二維坐標(biāo)映射為空間一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將兩臺(tái)相機(jī)的兩個(gè)二維位移場(chǎng)映射為空間一點(diǎn)的三維位移場(chǎng)，從而完成粒子空間位移場(chǎng)和速度場(chǎng)的重建。最后，通過(guò)事先設(shè)定的算法獲得流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等。

國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議（ITTC）自第25屆大會(huì)開(kāi)始專門(mén)成立了精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量研究組（Detailed flow measurement）［3］，組織世界各國(guó)致力于流體力學(xué)基礎(chǔ)研究的專家、學(xué)者開(kāi)展對(duì)此問(wèn)題的深入研究。海洋中湍流、復(fù)雜流動(dòng)、非定常流動(dòng)對(duì)民用船舶航行性能以及經(jīng)濟(jì)性能的影響，復(fù)雜海況和高海情引起的湍流、非定常流等耦合流動(dòng)［4］對(duì)軍用艦船戰(zhàn)斗性能與生存能力的影響是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者一直研究并致力于解決的疑難問(wèn)題。深入揭示相關(guān)問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理、精細(xì)流場(chǎng)作用現(xiàn)象和流動(dòng)細(xì)節(jié)，對(duì)解決這些疑難問(wèn)題具有重要意義。例如：潛艇周圍繞流場(chǎng)會(huì)對(duì)潛艇的水動(dòng)力性能產(chǎn)生直接影響，獲得已知艇體形狀特征下的精確繞流場(chǎng)（速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和噪聲場(chǎng)）特性可為得出阻力小、噪聲低的最佳潛艇設(shè)計(jì)方案提供試驗(yàn)依據(jù)；船體尾部流體的流動(dòng)特性是研究船舶推進(jìn)性能的重要因素，從流場(chǎng)細(xì)節(jié)著手，分析螺旋槳的尾流場(chǎng)特性是研究艦船推進(jìn)性能和安靜性能的主要技術(shù)途徑之一。因此，三維PIV技術(shù)作為一種先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)試手段就顯得意義重大。

1　國(guó)外研究進(jìn)展

過(guò)去10年中，國(guó)外諸多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已針對(duì)水下SPIV設(shè)備進(jìn)行了廣泛而深入的研究。2003年，INSEAN開(kāi)發(fā)了第一個(gè)拖曳水池水下SPIV系統(tǒng)［4］，F(xiàn)elli和Di Felice等［5-6］詳細(xì)介紹了該套系統(tǒng)及其應(yīng)用情況。隨后，很多ITTC組織成員均開(kāi)展了水下SPIV系統(tǒng)的研究工作，美國(guó)IOWA大學(xué)、德國(guó)Potsdam造船研究所等［7］先后建成了各自的拖曳水池水下SPIV系統(tǒng)，形成了相應(yīng)的試驗(yàn)研究能力，取得了一系列成果。

國(guó)外SPIV技術(shù)應(yīng)用較為廣泛和成熟的領(lǐng)域是船后螺旋槳的相關(guān)研究。Calcagno等［8］應(yīng)用SPIV測(cè)量了五葉螺旋槳船舶模型在幾個(gè)橫剖面處的下游尾流場(chǎng)。Bull等［9］完成了兩個(gè)水面艦艇模型標(biāo)稱伴流和尾流場(chǎng)的測(cè)量。同時(shí)，還應(yīng)用激光多普勒測(cè)速儀（Laser Doppler Velocimetry，LDV）完成了對(duì)實(shí)船某一剖面螺旋槳進(jìn)流的測(cè)量。Di Felice等［10］研究了在不同載荷條件下PIV識(shí)別螺旋槳附近主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)的能力。Felli等［7］運(yùn)用PIV和畢托耙測(cè)量了船用螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下速度與進(jìn)流波動(dòng)壓力之間的鎖相相關(guān)性。Stella等［11］完成了“歐洲全尺寸流動(dòng)研究和技術(shù)”（European full-scale flow research and technology）項(xiàng)目，該項(xiàng)目應(yīng)用LDV完成船舶螺旋槳的進(jìn)流速度測(cè)量，試驗(yàn)對(duì)象包括2艘集裝箱船、1艘油輪、1艘訓(xùn)練船和1艘挖泥船。Paik等［12］研究了從槳葉后緣到螺旋槳直徑范圍內(nèi)的梢渦幾何。最近，Di Felice等［13］開(kāi)展了將SPIV技術(shù)應(yīng)用于螺旋槳葉梢和槳轂處漩渦演變過(guò)程的研究。

同時(shí)，還有部分研究是關(guān)于船后舵的相關(guān)內(nèi)容研究。Anschau和Mach［14］利用SPIV技術(shù)研究了一艘水面艦船在定向漂變情況下其半平衡舵周圍的流場(chǎng)。Felli等［15］擴(kuò)展了他們?cè)?006年和2009年完成的工作，全面利用PIV和LDV測(cè)量了在自由航行狀態(tài)下和安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)后狀態(tài)下槳—舵系統(tǒng)中舵面的壓力。

此外，Wu和Miorini等［16-17］分別利用二維PIV技術(shù)和三維PIV技術(shù)研究了軸流式噴水推進(jìn)泵旋轉(zhuǎn)管道處的流動(dòng)形態(tài)結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，SPIV技術(shù)被大量用于研究水面艦船和潛艇在高海況下與船體大幅運(yùn)動(dòng)有關(guān)的復(fù)雜粘性現(xiàn)象及殼體大規(guī)模流體分離現(xiàn)象。下文簡(jiǎn)述國(guó)外進(jìn)行的將PIV技術(shù)應(yīng)用于船舶橫搖阻尼水動(dòng)力特征研究和運(yùn)用SPIV技術(shù)測(cè)量潛艇艇體周圍精細(xì)流場(chǎng)研究的進(jìn)展。

1.1船舶橫搖阻尼水動(dòng)力特征研究

1.1.1船模試驗(yàn)研究

船舶橫搖誘導(dǎo)的流場(chǎng)流體動(dòng)力特征復(fù)雜，為了解橫搖阻尼水動(dòng)力特征，完善粘流橫搖模型，開(kāi)展相關(guān)的精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量工作十分必要。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

2004年，INSEAN，IIHR和NSWCCD三家機(jī)構(gòu)合作完成了橫搖狀態(tài)下復(fù)雜表面船舶粘性水動(dòng)力特征試驗(yàn)［18］。三家機(jī)構(gòu)均選用加裝舭龍骨的DTMB 5415船模為研究對(duì)象。INSEAN負(fù)責(zé)完成不同航速下單自由度橫搖衰減的LDV測(cè)量，測(cè)試區(qū)域選在8個(gè)不同剖面；IIHR負(fù)責(zé)完成波形測(cè)量和PIV測(cè)量；NSWCCD負(fù)責(zé)完成PIV測(cè)量以及力和力矩的測(cè)量。圖1所示為橫搖阻尼水動(dòng)力試驗(yàn)裝置示意圖。他們最終得出了舭龍骨處流動(dòng)細(xì)節(jié)的PIV試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果，并將二者進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明PIV試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)反映舭龍骨處的流場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

圖1試驗(yàn)裝置示意圖［18］Fig.1　Experimental setup［18］

圖2所示為舭龍骨處橫搖狀態(tài)下的流動(dòng)細(xì)節(jié)結(jié)果。其中，圖2（a）為CFD計(jì)算結(jié)果，圖2（b）為PIV試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比兩圖可以看出，PIV試驗(yàn)用于船舶橫搖阻尼水動(dòng)力特征研究是可行的，其測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果能夠比較真實(shí)地反映流場(chǎng)的流動(dòng)特征。

圖2　舭龍骨處橫搖狀態(tài)下的流動(dòng)細(xì)節(jié)對(duì)比［19］Fig.2　Comparison of flow details at bilge keel in rolling state between CFD and PIV［19］

1.1.2實(shí)船試驗(yàn)研究

在船模試驗(yàn)基礎(chǔ)上，實(shí)船SPIV試驗(yàn)也在進(jìn)行。Atsavapranee等［19］在一艘意大利船舶Nave Bettica號(hào)上運(yùn)用PIV技術(shù)進(jìn)行了舭龍骨處粘性流場(chǎng)的實(shí)船試驗(yàn)研究，這是第一次將PIV技術(shù)運(yùn)用到實(shí)船試驗(yàn)研究中。為避免影響試驗(yàn)操作，PIV設(shè)備的安裝選定在干船塢期（圖3）。但實(shí)船試驗(yàn)面臨的問(wèn)題很多，對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)條件控制、試驗(yàn)PIV設(shè)備的制造安裝等要求較高，故試驗(yàn)結(jié)果精度不是十分理想。

圖3Nave Bettica號(hào)上的PIV裝置［19］Fig.3　PIV setup on Nave Bettica［19］

圖4所示為Nave Bettica號(hào)在12.8 kn航速下舭龍骨處?kù)o水橫搖衰減試驗(yàn)的PIV試驗(yàn)結(jié)果。

圖4　PIV試驗(yàn)結(jié)果［19］Fig.4　Results of PIV measurement［19］

1.2潛艇艇體周圍流場(chǎng)測(cè)量

潛艇在水下做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍的水介質(zhì)與艇體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成繞艇體流動(dòng)的流場(chǎng)。潛艇周圍的繞流場(chǎng)不僅會(huì)對(duì)潛艇水動(dòng)力性能產(chǎn)生直接影響，而且還會(huì)對(duì)潛艇隱身性能產(chǎn)生影響。因此，開(kāi)展?jié)撏缀涡螤钆c繞流場(chǎng)特性的關(guān)聯(lián)研究，尋求能在已知艇體形狀特征下精確預(yù)報(bào)繞流場(chǎng)（速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和噪聲場(chǎng)）特性的數(shù)值計(jì)算方法十分重要。

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量

Felli［5］等對(duì)某潛艇艇體周圍流場(chǎng)進(jìn)行了PIV測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路是將常規(guī)三維PIV系統(tǒng)置于密封水下雷體內(nèi)，在水下完成PIV的照明和拍攝。水下PIV系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足常規(guī)PIV試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的速度、深度和測(cè)試面積等尺度要求，對(duì)測(cè)試流場(chǎng)干擾較小，既適用于不同水下PIV測(cè)試剖面的測(cè)量，又適用于拖曳水池中相對(duì)惡劣的試驗(yàn)環(huán)境。

圖5所示為國(guó)外某水池的三維水下PIV設(shè)備圖，圖6所示為對(duì)某潛艇艇體模型的周圍流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)圖。

圖5　三維水下PIV設(shè)備圖Fig.5　3D-PIV underwater equipment

圖6　測(cè)量某潛艇模型周圍流場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.6　Measuring flow field around a submarine model

1.2.2試驗(yàn)結(jié)果

圖7所示為數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后得到的在潛艇表面x/L=0.5，0.625，0.75和1.05這4個(gè)不同橫剖面處的流場(chǎng)矢量圖。

該試驗(yàn)驗(yàn)證了在拖曳水池中運(yùn)用三維PIV技術(shù)對(duì)水下模型周圍流場(chǎng)進(jìn)行高分辨率測(cè)量的可行性。針對(duì)模型周圍流場(chǎng)測(cè)量的驗(yàn)證性試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)面內(nèi)速度測(cè)試誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

隨著需求越來(lái)越多，將PIV系統(tǒng)應(yīng)用于潛艇周圍流場(chǎng)的測(cè)量會(huì)越來(lái)越普遍，PIV技術(shù)對(duì)周圍流場(chǎng)的測(cè)量也會(huì)隨著改進(jìn)而越來(lái)越精確，進(jìn)而走向成熟。

圖7　不同剖面處流場(chǎng)矢量圖Fig.7　Velocity field vector graph for different cross-sections

2　國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在PIV技術(shù)的使用方面起步較晚，研究?jī)?nèi)容的范圍和深度不夠，試驗(yàn)設(shè)備與國(guó)外相比存在較大差距，但是近10年來(lái)也取得了不少成果。

國(guó)內(nèi)目前的研究成果大多是基于二維PIV設(shè)備所取得，三維PIV用于水動(dòng)力學(xué)研究還比較少。

在螺旋槳尾流場(chǎng)測(cè)量方面，張軍等［20］研究了導(dǎo)管螺旋槳內(nèi)流場(chǎng)的SPIV測(cè)量，首次將PIV技術(shù)應(yīng)用到了螺旋槳流場(chǎng)測(cè)試中；張國(guó)平等［21］進(jìn)行了螺旋槳尾流場(chǎng)PIV與LDV對(duì)比測(cè)試研究，首次實(shí)現(xiàn)了PIV測(cè)試方法在大型設(shè)備和螺旋槳尾流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用；李廣年等［22-23］進(jìn)行了大型空泡水筒中螺旋槳尾流場(chǎng)2D-PIV測(cè)量研究以及PIV技術(shù)在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用研究。

在其他流場(chǎng)測(cè)量方面，趙維義［24］研究了應(yīng)用SPIV測(cè)量艦船空氣尾流場(chǎng)，獲得了艦船空氣尾流場(chǎng)特性；代欽和趙莉莉［25］研究了近自由表面翼型尾流速度場(chǎng)的PIV測(cè)量及POD分析；張強(qiáng)［26］研究了PIV技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室模擬冰下流場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用。

張國(guó)平等［27］介紹了國(guó)內(nèi)第一套隨車式SPIV水下系統(tǒng)，其使用效果接近國(guó)外同類設(shè)備水平。下文將以某大學(xué)船模水池實(shí)驗(yàn)室水下SPIV設(shè)備為例，介紹其在KCS船尾部伴流和仿生凹凸鰭體伴流場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用，展示國(guó)內(nèi)研究的最新進(jìn)展。

2.1KCS船尾部伴流測(cè)量

船體尾部流體的流動(dòng)特性是研究船舶推進(jìn)性能的重要因素。船體周圍的流場(chǎng)是三維流動(dòng)的，流場(chǎng)介質(zhì)存在粘性，因此船舶繞流的分析十分復(fù)雜，這種復(fù)雜性集中體現(xiàn)在船舶尾部流動(dòng)和伴流場(chǎng)中［28］。而在船用螺旋槳設(shè)計(jì)中，船體尾部伴流場(chǎng)分布的精確預(yù)報(bào)更是螺旋槳成功設(shè)計(jì)的前提［29］。因此，在船舶設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、獲得船舶尾部伴流場(chǎng)信息至關(guān)重要。

2.1.1試驗(yàn)對(duì)象與內(nèi)容

試驗(yàn)對(duì)象選定為韓國(guó)船舶與海洋工程研究所（KRISO）設(shè)計(jì)建造的3 600 TEU集裝箱船（KCS），模型如圖8所示，模型的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)地點(diǎn)為某大學(xué)船模水池實(shí)驗(yàn)室。

圖8　KCS船舶模型Fig.8　KCS model

表1　KCS船舶模型主要參數(shù)Tab.1Main parameters of the KCS model

試驗(yàn)內(nèi)容包含3個(gè)部分：

1）測(cè)試在不同速度下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)；

2）測(cè)試在不同吃水下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)；

3）測(cè)試在不同縱傾下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)。

2.1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量

PIV測(cè)試船舶艉流場(chǎng)的一般步驟為：

1）完成三維水下PIV設(shè)備連接并調(diào)試，保證各子系統(tǒng)工作正常；

2）對(duì)船艉槳盤(pán)面處位置進(jìn)行標(biāo)定，使得圖片的像素點(diǎn)信息與實(shí)際距離形成對(duì)應(yīng)關(guān)系；

3）向流場(chǎng)播撒示蹤粒子并以脈沖片光源照明；

4）以相機(jī)拍攝等方式記錄多次曝光的流場(chǎng)粒子圖像；

5）在配套處理軟件中逐點(diǎn)處理PIV底片或CCD記錄的圖像，對(duì)所得流場(chǎng)粒子圖像進(jìn)行分析處理，提取位移場(chǎng)，除以兩次曝光時(shí)間間隔，獲得速度矢量場(chǎng)，并獲得流場(chǎng)速度分布。

圖9所示為試驗(yàn)過(guò)程中的PIV系統(tǒng)，圖10所示為船模艉部模型及船艉的粒子圖像。

圖9　PIV系統(tǒng)試驗(yàn)圖Fig.9　PIV system during the measurement process

圖10　船艉模型和船艉粒子圖像Fig.10　Stern model and stern particle image

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果

在設(shè)計(jì)吃水、縱傾為0.1°的情況下，測(cè)得當(dāng)實(shí)船速度Vs依次為22，23，24和25 kn時(shí)槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算可得出各計(jì)算模型船體艉部螺旋槳所在平面處的軸向伴流等值線圖（如圖11所示，其中圓形實(shí)線表示槳盤(pán)面的所在位置）。從圖11中可以看出，隨著航速的增加，船尾伴流均勻性會(huì)下降，槳軸處誘導(dǎo)速度會(huì)隨之提高。

圖11不同航速下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)Fig.11　Wake fields under different Vs

圖12所示為不同吃水下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)。從圖12（a）和圖12（b）的對(duì)比來(lái)看，隨著吃水的增加，在航速穩(wěn)定情況下伴流分?jǐn)?shù)增加，這與船舶表面的濕表面積增加有關(guān)。

圖12不同吃水下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)Fig.12　Wake fields under different draughts

圖13所示為不同縱傾下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)。從圖13（a）和圖13（b）的對(duì)比來(lái)看，隨著縱傾的增加，船艉部下沉，軸向伴流出現(xiàn)紊亂情況，但是軸向伴流的集中程度提高，因此可以預(yù)測(cè)，在某一縱傾值下尾部伴流能提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

圖13　不同縱傾下槳盤(pán)面處的伴流場(chǎng)Fig.13　Wake fields under different trims

總之，應(yīng)用PIV進(jìn)行船舶尾部伴流場(chǎng)測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果良好，PIV試驗(yàn)是一種直接獲得船舶精細(xì)繞流場(chǎng)的優(yōu)良手段。

2.2仿生凹凸鰭體伴流場(chǎng)測(cè)量

2.2.1試驗(yàn)對(duì)象與內(nèi)容

試驗(yàn)對(duì)象選定NACA0020翼型為基礎(chǔ)翼型，并以仿生凹凸鰭為改進(jìn)翼型，模型如圖14所示，模型的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

圖14　PIV試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.14　PIV test model for common fin and bionic bump fin

表2　鰭模型詳細(xì)參數(shù)Tab.2Detail parameters of fin models

試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定如下：在平靜水面、航速為1 m/s條件下，測(cè)量普通鰭與仿生凹凸鰭在迎流剖面和鰭中剖面攻角分別為10°和30°時(shí)的伴流場(chǎng)。

2.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量

PIV測(cè)量通過(guò)3個(gè)步驟完成：

1）播撒足夠的示蹤粒子，形成粒子濃度均勻的粒子場(chǎng)來(lái)代替流場(chǎng)；

2）激光發(fā)射器發(fā)射激光照射示蹤粒子，被照射粒子作為瞬時(shí)流場(chǎng)流體觀測(cè)質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)2個(gè)不同位置的相機(jī)進(jìn)行雙幀拍攝生成一對(duì)互相關(guān)圖像；

3）應(yīng)用Dynamic Studio軟件對(duì)多幅雙相機(jī)照片進(jìn)行去噪、矢量生成、去除矢量誤配并合成鰭體伴流場(chǎng)。

圖15所示為試驗(yàn)過(guò)程中的仿生凹凸鰭，圖16所示為SPIV系統(tǒng)采集到的粒子圖像。

圖15　仿生凹凸鰭試驗(yàn)圖Fig.15　Bionic bump fin under test

圖16　SPIV系統(tǒng)采集到的粒子圖像Fig.16　Particle image collected by SPIV system

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果

在平靜水面、航速為1 m/s條件下，普通鰭在30°攻角下迎流面流場(chǎng)測(cè)量和30°攻角下尾流場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果圖17所示。

從圖17（a）中可以看出，右側(cè)淺藍(lán)色部分為此次測(cè)量中-1.0 m/s的水流流速，此時(shí)迎流面導(dǎo)致大范圍的加速流場(chǎng)，因翼面作用使得流速增加，水流水平方向有向外移動(dòng)的趨勢(shì)。從圖17（b）中可以清晰地看出，在背流面形成了特別大的速度回流，可以確定此處產(chǎn)生了大型滯留渦，這是由于鰭背面大范圍的失速導(dǎo)致，此時(shí)邊界層分離嚴(yán)重。

圖17　普通鰭在30°攻角下的迎流面流場(chǎng)和尾流場(chǎng)Fig.17　Incident flow field vs.wake flow field for common fin under 30°angle of attack

在平靜水面、航速為1 m/s條件下，仿生凹凸鰭在30°攻角下迎流面流場(chǎng)測(cè)量和30°攻角下尾流場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果如圖18所示。

從圖18（a）中可以看出，因?yàn)榘纪菇Y(jié)節(jié)的影響，使得近凸結(jié)節(jié)流速減緩，靠近凹槽的位置產(chǎn)生了一對(duì)反向渦，這對(duì)渦隨著向后運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)逐漸合并變大。從圖18（b）中可以看出，在背流面也形成了部分回流，但是與普通鰭相比回流渦范圍明顯縮小，此處的滯留渦形式更不穩(wěn)定，滯留渦表面的流線與外界有明顯的流動(dòng)交互。

圖18　仿生凹凸鰭在30°攻角下的迎流面流場(chǎng)和尾流場(chǎng)Fig.18　Incident flow field vs.wake flow field for bionic bump fin under 30°angle of attack

3　未來(lái)發(fā)展方向

3.1試驗(yàn)與計(jì)算流體力學(xué)方法相結(jié)合

從國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，近年來(lái)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展已經(jīng)使其成為一種優(yōu)良的輔助測(cè)試手段并被廣泛采用。它能幫助我們更好地模擬和了解船舶精細(xì)流場(chǎng)的流動(dòng)特性，其計(jì)算成本低，可重復(fù)性強(qiáng)，還能獲取精細(xì)流場(chǎng)中任何一處的流動(dòng)細(xì)節(jié)。

CFD軟件已經(jīng)較為成熟，若能合理進(jìn)行計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分、邊界條件處理和物理模型選擇，數(shù)值計(jì)算結(jié)果就可以作為PIV測(cè)量船舶精細(xì)流場(chǎng)的參考來(lái)解決目前存在的爭(zhēng)議性問(wèn)題，還可以對(duì)目前無(wú)法使用試驗(yàn)手段進(jìn)行的研究做出前瞻性的預(yù)測(cè)。充分利用CFD的優(yōu)勢(shì)，并將其與SPIV試驗(yàn)相結(jié)合，將使SPIV的發(fā)展提升到新的層次。

3.2拓展應(yīng)用范圍

SPIV有案可查的應(yīng)用范圍大多局限于實(shí)驗(yàn)室船舶精細(xì)流場(chǎng)研究方面，關(guān)于實(shí)船SPIV試驗(yàn)的內(nèi)容較少，國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展實(shí)船SPIV試驗(yàn)研究，原因在于實(shí)船試驗(yàn)的難度大、成本高、試驗(yàn)精度不夠。

實(shí)船試驗(yàn)面臨的問(wèn)題是船模試驗(yàn)中不會(huì)碰到的，具體問(wèn)題如下：

1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。如何使試驗(yàn)區(qū)域均布示蹤粒子，如何使實(shí)船達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)狀態(tài)，如航速、橫搖角度、螺旋槳轉(zhuǎn)速等，都需要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。

2）不確定因素影響。實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性受人為因素的影響較大，不同的試驗(yàn)人員對(duì)同一艘船在同一時(shí)刻得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都會(huì)有差異［30］。此外，試驗(yàn)區(qū)域的海況條件不可控，這也增加了試驗(yàn)的難度。

但是，實(shí)船試驗(yàn)得出的結(jié)論是最具有實(shí)用價(jià)值的第一手資料，其珍貴程度遠(yuǎn)非模型試驗(yàn)?zāi)軌蛳啾取Ｍ瑫r(shí)，由于船模尺度效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)室條件的理想化，在將試驗(yàn)結(jié)論真正轉(zhuǎn)換到實(shí)船上時(shí)，其可靠性會(huì)下降。因此，盡管開(kāi)展實(shí)船SPIV試驗(yàn)難度大、困難多，但是將SPIV的應(yīng)用范圍拓展至實(shí)船試驗(yàn)是未來(lái)非常重要的發(fā)展方向。

3.3研制全方位、高精度的SPIV設(shè)備

從實(shí)際使用情況來(lái)看，現(xiàn)階段SPIV設(shè)備的使用局限非常明顯。通常，選定流場(chǎng)的測(cè)量面很豐富，例如側(cè)向安排激光雷體能夠進(jìn)行船體表面的橫剖面測(cè)量，雷體安裝在尾部可以進(jìn)行船體縱剖面的測(cè)量，偏移的雷體布置能夠進(jìn)行流線區(qū)域測(cè)量等。

然而，根據(jù)水池實(shí)際條件定制的SPIV設(shè)備常常為了儀器安裝的精度和設(shè)備可靠性，會(huì)對(duì)很多方面進(jìn)行定向設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致設(shè)備只能進(jìn)行一個(gè)方向的布置安裝，因此能夠進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容很有限，這就嚴(yán)重限制了PIV設(shè)備功能的拓展。

同時(shí)，隨著未來(lái)SPIV設(shè)備硬件的不斷革新，CCD相機(jī)性能會(huì)不斷提高，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)的不斷發(fā)展，SPIV設(shè)備的處理算法將不斷優(yōu)化，這些都會(huì)較大提升設(shè)備的精度。

如何使PIV設(shè)備一體化、靈活化和人性化，研制多方位測(cè)量的高精度SPIV系統(tǒng)，將是未來(lái)PIV設(shè)備制造方面一個(gè)比較重要的發(fā)展方向。

4　結(jié)語(yǔ)

上述國(guó)內(nèi)外SPIV的應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明SPIV技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到一定的成熟度，運(yùn)用SPIV設(shè)備對(duì)船舶精細(xì)流場(chǎng)的測(cè)量已經(jīng)從理論研究發(fā)展到大量實(shí)踐階段。除本文列舉的部分內(nèi)容外，它還能應(yīng)用到層流邊界層和湍流邊界層測(cè)量、沿海海底邊界層測(cè)量、海洋內(nèi)波測(cè)量等諸多流體力學(xué)領(lǐng)域。

SPIV技術(shù)在國(guó)外發(fā)展起步早、基礎(chǔ)好、設(shè)備精度高，研究范圍涵蓋了從學(xué)術(shù)研究到工程應(yīng)用的諸多方面，獲得的成果處于世界領(lǐng)先地位；國(guó)內(nèi)對(duì)PIV技術(shù)的研究近幾年也是日新月異，學(xué)者們既注重PIV技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用，又注重PIV技術(shù)在學(xué)科交叉領(lǐng)域的應(yīng)用研究，這對(duì)于迅速提升在學(xué)術(shù)界內(nèi)的話語(yǔ)權(quán)具有重要作用。

未來(lái)SPIV技術(shù)的發(fā)展需要與計(jì)算流體力學(xué)方法相結(jié)合，以便更加高效地完成試驗(yàn)研究；需要注重SPIV設(shè)備的適用性，為研制多用途、全方位、高精度的SPIV系統(tǒng)不懈努力；SPIV實(shí)船研究雖然難度大，但仍然是未來(lái)SPIV試驗(yàn)發(fā)展的重要方向。

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［責(zé)任編輯：易基圣］

Development of 3D-PIV Applied on Fine Flow Field Testing of Ships

LI Maohua1，GONG Jie2
1 The 63680thUnit of PLA，Wuxi 214000，China
2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The phenomenon of fine flow field and the flow details have great influences on the field of ship and ocean engineering.The PIV technology successfully records the velocity distribution of multiple space points at the same moment，which provides abundant spatial information of the flow field and the flow char?acteristics.Currently，SPIV has found its application internationally in the investigation of massive cross-flow separation in the case of ship and submarine maneuvering as well as the complex viscous phe?nomena associated with large-amplitude ship motions in high sea states.Domestically，researchers have ap?plied SPIV into the research of the measurement of wake field and the noise field of ships，whose results truthfully reflect the flow characteristics.As SPIV trials are bound to combine with the CFD method in the future，the experimental study of full-scale ships shall also be promoted.It can be safely concluded that with the developments of computer technology，laser technology，and CCD performance，the research and development of the multidimensional measurement SPIV system will become a key research topic in marine engineering.

Stereoscopic Particle Image Velocimetry（SPIV）；fine flow field；flow characteristics；overview

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.009

2014-06-22

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-1-28 12:14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41176074，51209048）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20102304120026）

李茂華，男，1981生，工程師。研究方向：艦船總體與性能研究

龔杰（通信作者），男，1991年生，碩士生。研究方向：船舶推進(jìn)與節(jié)能，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。E?mail：gongjie09@foxmail.com