PIV技術(shù)在某駁船模型強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試中的應(yīng)用

王曉強(qiáng)，劉懷西，馬山，郭春雨

1海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北武漢430064

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

PIV技術(shù)在某駁船模型強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試中的應(yīng)用

王曉強(qiáng)1，劉懷西2，馬山2，郭春雨2

1海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北武漢430064

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

［目的］為研究船舶橫搖過(guò)程中粘流場(chǎng)細(xì)節(jié)以提高橫搖阻尼數(shù)值模擬精度，［方法］開(kāi)展了粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)在靜水強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試中的應(yīng)用研究。首先，采用自制的強(qiáng)迫橫搖裝置在水池中開(kāi)展某駁船在不同搖幅和振蕩周期下船舶橫搖水動(dòng)力與舭部流場(chǎng)的同步測(cè)試。觀測(cè)舭部粘流場(chǎng)在船體振蕩過(guò)程中的變化規(guī)律，研究橫搖阻尼系數(shù)隨搖幅和周期的變化規(guī)律。然后，將模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。［結(jié)果］結(jié)果表明，CFD預(yù)報(bào)船舶橫搖整體阻尼系數(shù)精度較好，但預(yù)報(bào)的局部流場(chǎng)細(xì)節(jié)與模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果間存在一定的差異，［結(jié)論］需在模型試驗(yàn)技術(shù)和CFD預(yù)報(bào)技術(shù)上開(kāi)展進(jìn)一步研究。

粒子圖像測(cè)速；CFD；橫搖運(yùn)動(dòng)；橫搖阻尼系數(shù)；流場(chǎng)測(cè)量

0 引 言

橫搖運(yùn)動(dòng)是影響船舶在波浪中航行性能的重要指標(biāo)，目前國(guó)際海事組織（IMO）正在制定第二代完整穩(wěn)性規(guī)范［1］，其中大幅橫搖運(yùn)動(dòng)作為參與參數(shù)橫搖、癱船穩(wěn)性和過(guò)度加速度這3類風(fēng)浪中動(dòng)穩(wěn)性問(wèn)題的影響因素，受到造船行業(yè)的廣泛關(guān)注。橫搖阻尼是影響船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的重要因素，對(duì)其準(zhǔn)確估算因涉及到復(fù)雜的流體渦流效應(yīng)而成為水動(dòng)力學(xué)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的船模橫搖水動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)往往關(guān)注橫搖阻尼系數(shù)的定量獲取，而忽視了橫搖運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的定性觀察。

隨著流動(dòng)顯示技術(shù)的發(fā)展，粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)由于其在精細(xì)流場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面的強(qiáng)大能力而在水池試驗(yàn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將其應(yīng)用到船舶橫搖阻尼水動(dòng)力測(cè)試中，可以監(jiān)測(cè)橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)船體舭部流動(dòng)分離、漩渦泄出等與船舶橫搖性能密切相關(guān)的物理現(xiàn)象，已成為研究橫搖水動(dòng)力物理特性、輔助數(shù)值建模的重要技術(shù)。

在國(guó)外，PIV技術(shù)發(fā)展較早且在水池試驗(yàn)中已開(kāi)展了較廣泛的應(yīng)用。Bassler等［2］針對(duì)DTMB 5699船舯剖面開(kāi)展了大幅強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)舭龍骨水動(dòng)力載荷和舭部PIV精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試研究了大幅橫搖過(guò)程中的水動(dòng)力阻尼規(guī)律。Kawata和Obi［3］利用PIV系統(tǒng)獲得湍流場(chǎng)的速度信息，研究了流場(chǎng)速度與壓力的關(guān)系。Irkal等［4］在水槽中開(kāi)展了某矩形截面船體剖面自由衰減橫搖測(cè)試研究，采用PIV技術(shù)進(jìn)行橫搖過(guò)程中舭部粘流場(chǎng)測(cè)試，研究測(cè)量了不同尺寸和構(gòu)型舭龍骨下的流場(chǎng)特征，并將結(jié)果與CFD仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

在國(guó)內(nèi)，PIV技術(shù)在水動(dòng)力流場(chǎng)研究中的應(yīng)用相對(duì)較晚，但近些年發(fā)展較快。例如，李廣年等［5］在大型空泡水洞中成功開(kāi)展均勻來(lái)流下的螺旋槳測(cè)試研究，驗(yàn)證了PIV技術(shù)在這一領(lǐng)域應(yīng)用的可行性；郄祿文等［6］基于PIV技術(shù)，研究了規(guī)則波作用下不同形式防波堤周圍的渦旋場(chǎng)特性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)介紹PIV技術(shù)在船模水池試驗(yàn)中應(yīng)用的文獻(xiàn)較少，尚未見(jiàn)到將PIV技術(shù)用于船模橫搖水動(dòng)力流場(chǎng)測(cè)試方面的內(nèi)容。

目前，CFD技術(shù)在船舶水動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)展迅速，能夠面向整個(gè)流場(chǎng)提供任何位置的物理信息［7］，如湍流強(qiáng)度、雷諾數(shù)、漩渦強(qiáng)度、流場(chǎng)速度矢量等，便于與水池試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，更好地了解流場(chǎng)特性。Zhou等［8］采用三維粘流分析軟件對(duì)4種不同類型船舶零航速下自由衰減橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，數(shù)值結(jié)果得到了模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，表明CFD技術(shù)在船舶橫搖阻尼預(yù)報(bào)上有很好的適用性。Begovic等［9］采用CFD技術(shù)對(duì)DTMB 5415標(biāo)模在完整和破損情況下零航速自由衰減橫搖阻尼開(kāi)展了分析研究，對(duì)網(wǎng)格、時(shí)間步長(zhǎng)和湍流模型等敏感因素進(jìn)行了分析。Yildiz等［10］針對(duì)S60船舯剖面在有限水深情況下開(kāi)展了強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)，基于測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析了CFD結(jié)果和Ikeda經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)結(jié)果的計(jì)算精度。

本文將開(kāi)展PIV技術(shù)在駁船船模強(qiáng)迫橫搖試驗(yàn)中的應(yīng)用研究，該試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行。試驗(yàn)中，利用先進(jìn)的PIV系統(tǒng)精確測(cè)量擾動(dòng)流場(chǎng)的物理信息，通過(guò)示蹤粒子圖像處理可視化顯示船模橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)船體舭部附近的流動(dòng)分離、漩渦泄出等現(xiàn)象，研究船舶橫搖運(yùn)動(dòng)特性。并利用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行這一問(wèn)題的數(shù)值模擬，做出二者結(jié)果定性和定量的比較。

1 PIV工作原理及其系統(tǒng)組成

1.1 PIV工作原理

PIV技術(shù)結(jié)合了光學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究成果，利用專業(yè)設(shè)備獲取全流場(chǎng)的實(shí)時(shí)物理信息，達(dá)到對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的精確測(cè)量?？商峁┴S富的流場(chǎng)空間信息及速度矢量、流線、漩渦等流動(dòng)信息。

基于PIV技術(shù)的試驗(yàn)內(nèi)容主要為：

1）在流場(chǎng)內(nèi)均勻布置示蹤粒子，示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)反映所在流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)位置處的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀況。

2）用足夠強(qiáng)的自然光或激光光源照射所測(cè)流場(chǎng)的平面，由于粒子對(duì)光的散射作用，利用CCD相機(jī)或其他成像系統(tǒng)記錄連續(xù)2次曝光或多次曝光的粒子圖像。

3）根據(jù)各相鄰粒子圖像中同一粒子間的距離和脈沖時(shí)間間隔，處理得到整個(gè)監(jiān)測(cè)域的速度場(chǎng)。

4）至于渦量場(chǎng)等其他流場(chǎng)信息，通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)處理得到。

1.2 PIV系統(tǒng)組成

通過(guò)上面的原理介紹可以看出，PIV系統(tǒng)主要由示蹤粒子、成像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)3部分組成。

1）示蹤粒子。

需要滿足以下條件：散布均勻、流動(dòng)性和跟蹤性好、反光性良好、粒子比重與流體密度相當(dāng)。其中“流動(dòng)性與跟隨性好”要求粒子半徑要小，“反光性好”要求粒子半徑不能太小。因此，挑選粒子時(shí)需綜合考慮各因素，選擇達(dá)到整體效果最佳的粒子。

2）成像系統(tǒng)。

包括雙脈沖激光片光源、透鏡和照相機(jī)。當(dāng)激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)過(guò)透鏡散射后形成約1 mm的片光源入射到流場(chǎng)待測(cè)區(qū)域時(shí)，CCD相機(jī)以垂直于片光源的方向?qū)?zhǔn)該區(qū)域，利用示蹤粒子對(duì)光的散射作用記錄下2次或多次脈沖激光曝光時(shí)粒子的圖像，形成2幅相同待測(cè)區(qū)域、不同時(shí)刻的PIV底片。

3）圖像處理系統(tǒng)。

根據(jù)粒子圖像提取速度場(chǎng)。將粒子圖像分成若干很小的區(qū)域（查詢區(qū)），利用互相關(guān)法或自相關(guān)法求取查詢區(qū)內(nèi)粒子位移的大小和方向，由于脈沖激光片光源的脈沖時(shí)間間隔一定，這樣就能計(jì)算得到粒子的速度矢量。通過(guò)這樣逐一查詢的方式，得到整個(gè)流場(chǎng)的速度矢量場(chǎng)。

2 強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力試驗(yàn)條件及內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行。圖1和圖2所示為試驗(yàn)的水池狀況及試驗(yàn)設(shè)備。下面給出試驗(yàn)水池參數(shù)以及PIV系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)。

2.1.1 試驗(yàn)水池的條件及主要指標(biāo)參數(shù)

1）拖曳水池。其長(zhǎng)×寬×水深分別為108 m× 7 m×3.5 m。

2）拖車。其穩(wěn)速范圍為0.1～6.5 m/s，精度為0.1%。

3）數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)。其型號(hào)為DEWE2010，精度16 bit。

水池拖車上配有傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采集橫搖試驗(yàn)中的船模角位移、受力及力矩等數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)后處理得到船模在各頻率及搖幅下的橫搖阻尼系數(shù)。

2.1.2 PIV系統(tǒng)設(shè)備及主要技術(shù)指標(biāo)

在該船模強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力試驗(yàn)中，利用隨車式PIV系統(tǒng)監(jiān)測(cè)船體舭部附近流場(chǎng)的流動(dòng)情況，得到速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等流場(chǎng)細(xì)節(jié)。所采用設(shè)備及其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）CCD相機(jī)分辨率：2 048×2 048像素；

2）激光器最大脈沖能量：1 200 mJ；

3）激光光束持續(xù)時(shí)間：4 ns；

4）激光波長(zhǎng)：532～1 064 nm；

5）光片厚度：0.6 mm；

6）測(cè)量區(qū)域大?。?00 mm×400 mm；

7）PIV示蹤粒子：聚酰胺示蹤粒子（PSP-50 μm）；

8）PIV興波測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)備：DynamicStudio（Smart Software for Imaging Solutions）。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象及參數(shù)

試驗(yàn)對(duì)象為玻璃鋼駁船模型。為簡(jiǎn)化船型帶來(lái)的影響，該駁船橫截面為矩形，吃水和船寬沿船長(zhǎng)方向不變，其空船重量為56.1 kg，經(jīng)壓載調(diào)整后得到試驗(yàn)時(shí)的船模主尺度參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)測(cè)試橫搖幅值分別為 0.06，0.11和0.24 rad，在主要可能頻率下進(jìn)行強(qiáng)迫橫搖試驗(yàn)。處理試驗(yàn)結(jié)果將得到不同搖幅、不同頻率下的橫搖阻尼系數(shù)，以及各工況下的流場(chǎng)速度矢量圖和渦量圖。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

靜水強(qiáng)迫橫搖試驗(yàn)是評(píng)估船舶橫搖性能的基本試驗(yàn)，可以在整個(gè)振蕩頻率范圍上測(cè)出橫搖水動(dòng)力特性和大幅橫搖時(shí)的非線性阻尼系數(shù)。試驗(yàn)中，將船模平衡放置，利用自研的強(qiáng)迫橫搖裝置讓船模繞固定轉(zhuǎn)軸做給定搖幅和振蕩頻率的簡(jiǎn)諧橫搖運(yùn)動(dòng)。

船模強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)形式為

式中：θ0為船模強(qiáng)迫橫搖幅值；ω為橫搖圓頻率。

本試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集分為2部分。第1部分是流場(chǎng)信息的采集，利用PIV系統(tǒng)完成；第2部分是橫搖轉(zhuǎn)角及力矩的測(cè)量，利用車載傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。2部分內(nèi)容在試驗(yàn)中同時(shí)進(jìn)行。

圖3和圖4分別為強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)裝置效果圖以及模型試驗(yàn)中強(qiáng)迫橫搖PIV精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試工作圖。其中，強(qiáng)迫橫搖裝置由固定裝置（1）、控制與驅(qū)動(dòng)裝置（2）、曲柄導(dǎo)軌移動(dòng)機(jī)構(gòu)（3）、連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（4）、測(cè)力和力矩天平（5）共5部分組成。PIV脈沖激光片光源位于船模一側(cè)，通過(guò)連續(xù)發(fā)射激光測(cè)量流場(chǎng)流動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)在流場(chǎng)中散播示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射船模舭部附近的流場(chǎng)區(qū)域，通過(guò)連續(xù)2次曝光，粒子圖像被記錄在CCD相機(jī)底片上，攝取該區(qū)域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰2幀圖像之間的時(shí)間間隔，利用圖2中Dyanmic Studio軟件進(jìn)行圖片相關(guān)分析，獲得粒子圖像，進(jìn)而得到船模舭部附近速度矢量圖。利用TECPLOT后處理軟件根據(jù)Dynamic Studio分析得到的速度矢量圖計(jì)算船模舭部附近的渦量圖。本次強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力試驗(yàn)選擇的激光脈沖間隔為0.135 s。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)以上強(qiáng)迫橫搖試驗(yàn)測(cè)量得到的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出橫搖阻尼系數(shù)。同時(shí)，將其與CFD結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證CFD方法的精確性。最后，給出二者得到的流場(chǎng)信息對(duì)比。

3.1 水池試驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)給出橫搖水動(dòng)力和流場(chǎng)信息的試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行深入分析。圖5所示為根據(jù)水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的3個(gè)橫搖幅值下的船模橫搖阻尼系數(shù)。圖中，縱坐標(biāo)B44為無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)。

從圖中可以看出，總體趨勢(shì)上，當(dāng)橫搖角幅恒定時(shí)，無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)隨船模橫搖頻率的增大而增大，且增大的速率由橫搖角幅確定，角幅越大，阻尼系數(shù)越大。這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符合，船舶橫搖角度越大，搖得越快，則流體阻尼作用越顯著。在測(cè)試過(guò)程中，受機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的限制，本文沒(méi)有開(kāi)展0.24 rad（約13.75°）以上搖幅的橫搖阻尼測(cè)試。大幅橫搖下，船舶橫搖水動(dòng)力阻尼受舭部出、入水過(guò)程和自由面效應(yīng)影響，水動(dòng)力阻尼系數(shù)隨搖幅和振蕩頻率的變化將更為復(fù)雜，其具體規(guī)律需開(kāi)展進(jìn)一步的模型試驗(yàn)測(cè)試和理論分析才能確定，針對(duì)圖5的分析結(jié)論不適用于本文沒(méi)有討論的更大搖幅情況。

圖6所示為通過(guò)PIV測(cè)量得到的船體橫剖面附近流場(chǎng)的速度矢量圖。選取的試驗(yàn)參數(shù)為橫搖幅值0.06 rad，橫搖周期1.24 s。

在速度云圖中，箭頭表示粒子所在流體位置處流場(chǎng)的速度方向，顏色不同表示速度的大小不同。由t=0.27 s到t=1.08 s的速度云圖（圖6中左側(cè)）可以看出，隨著船舶橫搖到不同角度，船體舭部附近的流場(chǎng)出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，船體舭部出現(xiàn)漩渦，體現(xiàn)在舭部附近的速度矢量明顯比舭部周圍要雜亂不規(guī)律，并且呈漩渦狀。而且，從速度云圖中可以看出，相對(duì)其他區(qū)域的流場(chǎng)速度，船體舭部附近的流場(chǎng)速度矢量顏色要更深一些，即速度要大一些。這也就說(shuō)明橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)舭部附近的流速要相對(duì)快些。

通過(guò)對(duì)PIV流場(chǎng)信息圖的觀察發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，船模橫搖時(shí)舭部的流場(chǎng)速度要比其他地方大，舭部附近出現(xiàn)明顯的漩渦；渦脫落現(xiàn)象主要集中在拐角區(qū)域。隨著橫搖運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，拐角處的漩渦逐漸由產(chǎn)生到分離再到脫落，連續(xù)交替進(jìn)行。另外在圖6中我們也注意到船舶舭部流場(chǎng)信息有空白之處，其原因是在模型試驗(yàn)過(guò)程中船體表面出現(xiàn)了反光現(xiàn)象，影響了局部區(qū)域粒子圖像測(cè)試效果和后續(xù)的速度流場(chǎng)分析，使得該區(qū)域測(cè)試流場(chǎng)失真，故將相關(guān)信息擦除了。針對(duì)該問(wèn)題的有效解決辦法是在船體表面進(jìn)行更為有效的涂漆操作，相關(guān)模型試驗(yàn)技術(shù)將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行研究。

3.2 CFD數(shù)值模擬結(jié)果

首先，比較水池試驗(yàn)與CFD方法得到的橫搖水動(dòng)力系數(shù)，以定量驗(yàn)證CFD方法的有效性。

關(guān)于CFD方法計(jì)算船模強(qiáng)迫橫搖阻尼系數(shù)的基本原理，這里簡(jiǎn)要給出。

對(duì)于單自由度強(qiáng)迫橫搖二維數(shù)值模擬，其強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)的形式與模型試驗(yàn)中強(qiáng)迫橫搖形式相同，如式（1）所示。

通過(guò)UDF編譯程序，將強(qiáng)迫橫搖數(shù)值模擬水動(dòng)壓力場(chǎng)中去除重力影響外的動(dòng)壓力 pd沿船體表面積分得到強(qiáng)迫橫搖動(dòng)力矩Md。

將Md分解為慣性項(xiàng)和阻尼項(xiàng)，即

式中，A44為船舶橫搖附加質(zhì)量系數(shù)。

通過(guò)基于CFD獲得的強(qiáng)迫橫搖動(dòng)力矩Md，可獲取船舶橫搖附加質(zhì)量系數(shù)A44和無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)B44?？刹捎玫姆椒òǜ道锶~級(jí)數(shù)展開(kāi)法、水動(dòng)力載荷時(shí)歷的最小二乘擬合等。需要說(shuō)明的是，即使針對(duì)同一段載荷時(shí)歷，不同的數(shù)據(jù)處理方法獲得的橫搖附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)數(shù)值結(jié)果也會(huì)存在一定的差別，特別是水動(dòng)力載荷時(shí)歷中量級(jí)相對(duì)較小的阻尼力，其阻尼系數(shù)的處理結(jié)果受處理方法的影響更大一些。

本文采用的方法屬于水動(dòng)力載荷時(shí)歷中的最小二乘擬合。由于數(shù)據(jù)處理過(guò)程會(huì)引入誤差，為盡量減小該誤差，在具體的數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中，本文在CFD模擬獲得的橫搖動(dòng)力矩Md較為穩(wěn)定的時(shí)間段選取了多個(gè)橫搖周期結(jié)果開(kāi)展擬合以獲得橫搖阻尼系數(shù)。

對(duì)數(shù)值模擬獲得的橫搖動(dòng)力矩Md進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，具體形式如下：

式中：M0為橫搖動(dòng)力矩幅值；ω和γ為其頻率和相位角。橫搖動(dòng)力矩的變化周期與橫搖周期相一致。

通過(guò)對(duì)比式（2）和擬合后的式（3），可以得到：

根據(jù)以上原理，并合理劃分流場(chǎng)網(wǎng)格，定義湍流模型、網(wǎng)格數(shù)量、邊界條件和初始條件，開(kāi)展基于雷諾平均納維—斯托克斯（RANS）的強(qiáng)迫橫搖粘流模擬，可計(jì)算出該模型的橫搖阻尼系數(shù)。這里不做具體討論，可查看文獻(xiàn)［11］，該文詳述了二維強(qiáng)迫船模橫搖試驗(yàn)的FLUENT軟件模擬細(xì)節(jié)，并做了數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證。

圖7給出了數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)船舶橫搖阻尼系數(shù)結(jié)果的比較。從圖中可以看出，二者總體上吻合較好，這表明CFD數(shù)值模擬是船舶橫搖水動(dòng)力阻尼問(wèn)題分析的有效手段。

圖8給出了針對(duì)本模型試驗(yàn)?zāi)硻M搖工況利用CFD軟件FLUENT模擬得到的渦量場(chǎng)云圖與PIV測(cè)試結(jié)果的比較。由圖可知，數(shù)值結(jié)果也捕捉到了船體舭部附近的流動(dòng)分離和漩渦泄出現(xiàn)象，其與測(cè)試流場(chǎng)相比相似但并不完全一致。本文針對(duì)模型試驗(yàn)中多組試驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)值仿真流場(chǎng)與測(cè)試流場(chǎng)細(xì)節(jié)的詳細(xì)對(duì)比，總體上看數(shù)值模擬結(jié)果在船舶舭部的流場(chǎng)細(xì)節(jié)上與模型試驗(yàn)結(jié)果間有一定的差距，符合程度不如圖7給出的橫搖阻尼數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果。分析表明，其原因應(yīng)該是多方面的，涉及到CFD湍流模型對(duì)船舶舭部粘流場(chǎng)模擬的精細(xì)程度、模型試驗(yàn)流場(chǎng)可重復(fù)性考察驗(yàn)證和非定常橫搖運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的瞬態(tài)變化特征等多種因素，尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文將PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于船舶大幅橫搖水動(dòng)力精細(xì)流場(chǎng)測(cè)試分析工作，在船舶拖曳水池開(kāi)展了強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試模型試驗(yàn)，獲得了橫搖水動(dòng)力阻尼系數(shù)和橫搖過(guò)程中船體舭部的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，并將相關(guān)結(jié)果與CFD數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了橫向比較分析。主要結(jié)論如下：

1）基于PIV測(cè)試獲得了船舶強(qiáng)迫橫搖舭部粘流場(chǎng)，給出了流場(chǎng)速度分布和旋渦在振蕩周期內(nèi)的生成和脫落情況，揭示了橫搖水動(dòng)力流場(chǎng)的局部特征，可用于驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬結(jié)果。

2）針對(duì)零航速駁船，在最大測(cè)試搖幅13.75°以內(nèi)，將CFD數(shù)值模擬橫搖阻尼系數(shù)與模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者吻合較好，表明CFD模擬技術(shù)總體上能夠捕獲橫搖過(guò)程中總體水動(dòng)力粘性效應(yīng)，較為有效。

3）通過(guò)橫向比較強(qiáng)迫橫搖駁船舭部粘流場(chǎng)局部細(xì)節(jié)的CFD仿真與PIV測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者總體上存在一定的差異，表明用CFD精細(xì)模擬船舶強(qiáng)迫橫搖粘流場(chǎng)局部細(xì)節(jié)比模擬總體的粘流阻尼難度要大。要想使CFD仿真與PIV測(cè)試取得更為一致的結(jié)果，需在湍流模型選擇和模型試驗(yàn)技術(shù)上開(kāi)展進(jìn)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］ 李廣年，張軍，洪方文.螺旋槳尾流動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，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］ 郄祿文，杜闖，張翔，等.基于PIV技術(shù)不同形式防波堤周圍渦旋場(chǎng)特性研究［J］.海洋通報(bào)，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，?AKICI 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］ 程錦，馬山，段文洋，等.箱型浮體橫搖水動(dòng)力系數(shù)黏流模擬的影響因素分析［C］//第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集：F船舶與海洋工程流體力學(xué).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

王曉強(qiáng)，劉懷西，馬山，等.PIV技術(shù)在某駁船模型強(qiáng)迫橫搖水動(dòng)力測(cè)試中的應(yīng)用［J］.中國(guó)艦船研究，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"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-3-13 16:31

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（B2420132001）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379045，51679043，51679053）

王曉強(qiáng)，男，1981年生，博士，工程師。研究方向：船舶水動(dòng)力性能與結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)。E-mail：wxq11211@163.com

劉懷西，男，1990年生，碩士生。研究方向：船舶水動(dòng)力性能。E-mail：huaixi0418@163.com

馬山（通信作者），男，1976年生，博士，教授。研究方向：船舶水動(dòng)力性能。

E-mail：mashan0451@126.com

郭春雨，男，1981年生，博士，教授。研究方向：船舶推進(jìn)節(jié)能與模型試驗(yàn)技術(shù)。

E-mail：guochunyu@hrbeu.edu.cn

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com