基于TR-PIV技術(shù)的螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

孫 聰， 徐 鵬， 韓 陽(yáng)， 郭春雨， 王 超

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱150001）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)課程在各大高校培養(yǎng)創(chuàng)新性人才方面起著舉足輕重的作用［1-2］。近年來(lái)，國(guó)家進(jìn)一步加大對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)課程的支持力度，深度落實(shí)創(chuàng)新教育教學(xué)方法的方針，大力培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。大學(xué)不僅僅是傳道授業(yè)解惑之地，更是培養(yǎng)學(xué)生判斷事物能力、思考能力之處。教育部在《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中提出“創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)”［3］，更加凸顯創(chuàng)新教育教學(xué)方法的重要性。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是目前最棘手的問題。學(xué)校響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，大力發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展新型實(shí)驗(yàn)方法來(lái)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和增長(zhǎng)創(chuàng)新技能［4-7］。

學(xué)生在螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)中僅僅測(cè)得相關(guān)推力、扭矩等物理量，對(duì)螺旋槳的工作狀態(tài)以及周圍流場(chǎng)無(wú)法產(chǎn)生定性認(rèn)知，阻礙對(duì)螺旋槳抽象理論知識(shí)的理解。為此，在基于傳統(tǒng)螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)激光測(cè)試技術(shù)——粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)，對(duì)螺旋槳處在不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)速系數(shù)下進(jìn)行測(cè)量，獲得螺旋槳周圍速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等信息，使學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)更好地深入理解理論知識(shí)。

1 粒子圖像測(cè)速技術(shù)簡(jiǎn)介

粒子圖像測(cè)速技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)接觸式、瞬時(shí)、全局的測(cè)量技術(shù)［8-9］。由于這些優(yōu)點(diǎn)，PIV技術(shù)迅速成為研究者的利器，是現(xiàn)代流體力學(xué)測(cè)量技術(shù)里程碑式突破［10］。PIV技術(shù)充分吸收了激光技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)、信號(hào)處理與分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，PIV技術(shù)正逐漸走向成熟化、普遍化。PIV可以同時(shí)測(cè)得二維平面或三維立體空間內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的二維或三維流速矢量，是目前實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的流速測(cè)量技術(shù)［11］。根據(jù)空間測(cè)量能力，PIV可分為2D-2C PIV（2 Dimensional-2 Component PIV）、2D-3C PIV和3D-3C PIV，根據(jù)時(shí)間測(cè)量能力，可擴(kuò)展到時(shí)間分辨粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Time-resolved Particle Image Velocimetry，TR-PIV）。本文所采用的就是2維TR-PIV。

如圖1所示，PIV系統(tǒng)主要由高速相機(jī)、激光器和同步器組成。進(jìn)行PIV流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需根據(jù)流場(chǎng)的具體流動(dòng)選擇適宜的示蹤粒子和相機(jī)參數(shù)等。示蹤粒子要求具有足夠好的跟隨性和反光性。跟隨性是指示蹤粒子能夠跟隨流體運(yùn)動(dòng)，這就需粒子的密度與流體的密度相當(dāng)；反光性要求粒子能很好地反射激光。

圖1 PIV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)相機(jī)拍攝得到待測(cè)流場(chǎng)圖像信息之后，對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，確定相鄰兩幀圖像之間的粒子位移，根據(jù)相鄰兩幀圖像的時(shí)間間隔，得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度信息，即待測(cè)流場(chǎng)的速度信息。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 PIV工作原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

以螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下實(shí)驗(yàn)為例，來(lái)介紹基于TR-PIV技術(shù)的螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工況

采用KP505槳作為本次實(shí)驗(yàn)螺旋槳模型，如圖3所示，主要參數(shù)：直徑（D）為0.20 m，轂徑比為0.180，螺距比（0.7R）為0.997，盤面比為0.800，槳葉數(shù)為5。

圖3 KP505螺旋槳模型

本次實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)前進(jìn)工況且螺旋槳轉(zhuǎn)速保持不變，轉(zhuǎn)速n＝600 r／min。通過(guò)改變流速來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在三甲實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽中進(jìn)行，如圖4所示，循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)段為矩形截面，尺寸為1.7 m（寬）×1.5 m（高），有效測(cè)量段長(zhǎng)度為8 m，流速由計(jì)算機(jī)控制，穩(wěn)定流速范圍為0～3 m／s。

圖4 循環(huán)水槽

螺旋槳通過(guò)敞水箱與敞水動(dòng)力儀相連接，如圖5所示。

圖5 螺旋槳與敞水動(dòng)力儀

采集系統(tǒng)由高速相機(jī)、激光器以及后處理軟件組成，通過(guò)自搭建方式布置在循環(huán)水槽觀察窗外側(cè)，如圖6所示。進(jìn)行互相關(guān)分析時(shí)所采用參數(shù)如表2所示。

圖6 工作中的采集系統(tǒng)

表2 互相關(guān)分析參數(shù)設(shè)置

采用的相機(jī)（見圖7）型號(hào)為Photron FASTCAM Mini UX100，拍攝頻率設(shè)置為5 kHz，分辨率為1 280 pixel×1 000 pixel，鏡頭物距為500 mm。

圖7 高速相機(jī)

激光器（見圖8）為CW-10W 532nm連續(xù)激光器，輸出功率0～10 W可調(diào)，TEM00格式，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩(wěn)定度小于1%，發(fā)散角＜2 mrad，可TTL觸發(fā)，工作溫度0～35°，工作交流電壓220 V。

圖8 CW-10W 532nm連續(xù)激光器

示蹤粒子采用聚酰胺顆粒，密度在1.03～1.05 g／cm3之間，平均粒徑為50 μm，具有良好的跟隨性和反光性。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備；

（2）連接螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)裝置；

（3）在循環(huán)水池中布散示蹤粒子，且保證粒子在水中均勻布散形成粒子濃度適中的待測(cè)流場(chǎng)，并對(duì)待測(cè)流場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定；

（4）通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水池的流速；

（5）待流速穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速；

（6）激光片光照射布散在水中的示蹤粒子，同時(shí)用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝，得到PIV原始圖片；

（7）對(duì)PIV原始圖片進(jìn)行圖像去噪、互相關(guān)分析等操作，生成待測(cè)流場(chǎng)的速度信息；

（8）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理分析，得到螺旋槳流場(chǎng)的矢量圖、速度圖和渦量圖。

圖9展現(xiàn)了螺旋槳周圍流場(chǎng)的速度變化以及螺旋槳工作時(shí)產(chǎn)生的尾渦情況，流動(dòng)可視化使學(xué)生能夠很好地從微觀細(xì)節(jié)層面對(duì)引起宏觀現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行認(rèn)知，從而更加深刻理解專業(yè)知識(shí)，在枯燥繁雜的學(xué)習(xí)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖9 螺旋槳周圍流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 教學(xué)成效

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，僅展現(xiàn)出宏觀的力與力矩［5］，不能對(duì)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)進(jìn)行觀測(cè)，大大限制學(xué)生的創(chuàng)新能力。引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、實(shí)驗(yàn)理念、實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅能夠帶來(lái)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)上的變革，還能夠帶領(lǐng)學(xué)生了解本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)測(cè)試手段與技術(shù)。學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力，也是從另一方面對(duì)學(xué)生掌握測(cè)試原理的檢驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生獲得知識(shí)的同時(shí)亦能提高自身素質(zhì)，如數(shù)據(jù)分析能力等。在本實(shí)驗(yàn)室采用此教育方式以來(lái)取得了不錯(cuò)的效果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣得到提升，各方面能力也顯著增加，并將其成果化，指導(dǎo)學(xué)生完成多項(xiàng)科技創(chuàng)新作品［12-15］。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家大力發(fā)展創(chuàng)新教育教學(xué)方法，研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可避免地成為一種新趨勢(shì)。本文在先前教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)的測(cè)量方法引入課堂，極大激發(fā)學(xué)生的積極性、創(chuàng)新性。學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性與定量觀測(cè)，深入理解實(shí)驗(yàn)原理與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，也促進(jìn)了教學(xué)與科研相互融合，以教學(xué)促進(jìn)科研，以科研成果服務(wù)教學(xué)，相輔相成。