基于PIV的客滾船風(fēng)阻流場研究

孫寒冰 昝立儒 孫志遠 鄒 勁

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

引 言

客滾船具有裝卸省時省力的優(yōu)點，在運輸船舶隨著國際航運的發(fā)展，客滾船的噸位不斷增加，使得航行中上層建筑風(fēng)載荷變得不可忽略。

羅少澤等人［1］使用常規(guī)測力方法的風(fēng)洞試驗研究了集裝箱船甲板上裝載的集裝箱的數(shù)量和位置對風(fēng)阻系數(shù)的影響。楊林家等人［2］在忽略其他上層建筑的前提下，使用CFD方法對LNG船的貨艙風(fēng)阻進行了計算分析，驗證了大渦模擬方法對計算風(fēng)阻的有效性。周傳明［3］使用CFD方法對一艘20 000載重噸江海直達型散貨船的水上部分進行風(fēng)阻預(yù)算，并將計算結(jié)果與Blender方法和OCIMF方法進行對比分析，低速時得到的結(jié)果相似，速度達到一定程度時誤差逐漸增大［3］。CHAN H S等人［4］在忽略了上層建筑的風(fēng)阻作用的前提下，對客滾船水下部分在規(guī)則波中的載荷進行研究。SHEN Qing等人［5］對包括風(fēng)阻載荷的客滾船阻力特性進行分析計算，并對重載下的橫搖進行研究。張銀龍［6］研究了客滾船在波浪中的線性恢復(fù)力矩和非線性阻尼力矩的影響，但也忽略了水上部分風(fēng)阻載荷的影響。高兆棟［7］通過仿真，分析了客滾船在波浪下的載荷和橫搖?？梢钥闯觯壳搬槍Υ帮L(fēng)阻特性的研究多集中于風(fēng)洞試驗以及數(shù)值方法，而客滾船的阻力研究多數(shù)集中在水下部分。

如今，一種粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）開始應(yīng)用于大型風(fēng)洞中，技術(shù)也漸趨完善［8］。船舶行業(yè)PIV技術(shù)的應(yīng)用研究主要在水動力研究領(lǐng)域。KIM W J等人［9］應(yīng)用PIV對KCS和KVLCC周圍流場進行測量，得到較精確的流場圖像；LEE Sang Joon等人［10］應(yīng)用PIV對KCS的橫向流場進行了測量，準(zhǔn)確顯示了橫向流場的流動特性。本文通過試驗研究某客滾船的空氣流場特性，通過粒子圖像測速法得到迎風(fēng)狀態(tài)和橫風(fēng)狀態(tài)下客滾船上層建筑周圍流場的細節(jié)信息，并結(jié)合試驗現(xiàn)象和結(jié)果分析客滾船船空氣繞流場的特點。

1 試驗設(shè)備和模型

1.1 PIV設(shè)備

PIV是一種在流場中同時多點（例如幾千點）測量流體或粒子速度矢量的光學(xué)圖像技術(shù)，通常在流場的“平面薄片”中進行測量。PIV系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)和分析顯示系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由激光器、片光元件、激光脈沖同步器、CCD攝像機組成；分析顯示系統(tǒng)主要由圖像采集裝置和圖像分析軟件及計算機組成。PIV設(shè)備圖如圖1所示。

圖1 PIV設(shè)備圖

1.2 示蹤粒子

在PIV試驗中，示蹤粒子的選擇十分重要。本次試驗采用便攜式壓力霧化示蹤粒子發(fā)生器產(chǎn)生所需的粒子，粒子介質(zhì)為橄欖油，產(chǎn)生的示蹤粒子直徑為1～2 μm，示蹤粒子密度與空氣密度近似，范圍在1.1～1.3 kg/m3。示蹤粒子發(fā)生器安裝在風(fēng)洞駐室，由管道引入風(fēng)洞穩(wěn)定段。示蹤粒子發(fā)生器如圖2所示。

圖2 示蹤粒子發(fā)生器

1.3 模型參數(shù)

本試驗?zāi)Ｐ陀晒枮I工程大學(xué)設(shè)計并加工，模型縮比為1 : 100。客滾船模型由上船體和下船體兩部分組成，模型及主要參數(shù)見圖3與表1。

圖3 試驗?zāi)Ｐ?/p>

表1 模型參數(shù)mm

1.4 PIV試驗方法

本文基于風(fēng)軸系與體軸系兩個坐標(biāo)系對客滾船的風(fēng)阻進行分析。其中風(fēng)軸系指大地坐標(biāo)系，這里建立體軸系坐標(biāo)系，原點O位于模型力矩參考中心（重心），X軸為縱軸，平行于艇體中縱軸線指向前方；Y軸為橫軸，垂直于艇體縱中對稱面，指向右舷；Z軸為豎軸，垂直于縱軸指向上方（如圖4所示）。

圖4 體軸定義示意圖

縱向和橫向剖面PIV試驗改變模型風(fēng)向角時，相機和片光繞風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤中心同步旋轉(zhuǎn)，相機和片光位置相對固定；當(dāng)只改變模型拍攝位置時，相機和片光不動，模型移動。

水平剖面PIV試驗時，片光高度由風(fēng)洞外移測架升降實現(xiàn)，相機位置不動，通過調(diào)節(jié)焦距使圖像清晰，改變拍攝位置時僅移動模型。

PIV試驗測量模型橫向（垂直于氣流平面）和縱向（平行于氣流豎直面）剖面時，激光器安裝在風(fēng)洞上轉(zhuǎn)盤外，相機固定在風(fēng)洞內(nèi)的地板上（如圖5所示），相機軸線與片光平面垂直。下頁表2列出了此次PIV試驗的工況。

圖5 PIV試驗時相機安裝

2 試驗結(jié)果

2.1 測力試驗結(jié)果分析

測力試驗?zāi)Ｐ偷淖藨B(tài)由迎角、側(cè)滑角機構(gòu)和姿態(tài)角控制系統(tǒng)配合完成。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，對模型氣動力及力矩進行測量。影響試驗準(zhǔn)確性的誤差主要包括風(fēng)速控制、姿態(tài)角控制和壓力測量。試驗系統(tǒng)誤差見表3。

表3 試驗系統(tǒng)誤差

客滾船模型在不同風(fēng)速下的風(fēng)軸阻力曲線如圖6所示 。從該圖可以看出，隨著側(cè)滑角的改變，在固定的風(fēng)速下，客滾船模型的氣動特性與風(fēng)向角有密切關(guān)系：隨著β從0°增大到180°，客滾船模型的風(fēng)軸阻力先增大后減小，當(dāng)β?= 90°時，風(fēng)軸阻力到達最大值。圖中Fx表示風(fēng)軸阻力。

模型體軸偏航力矩如圖7所示。偏航力矩方面，在 0°＜ β?＜105°范圍內(nèi)，模型產(chǎn)生逆時針偏航力矩，模型的偏航力矩先增大后減小，當(dāng)β=45°時，偏航力矩達到最大值。在 105°＜ β ＜180°范圍內(nèi)，模型產(chǎn)生順時針偏航力矩，模型偏航力矩的絕對值先增大后減小。圖中My表示偏航力矩。

圖7 模型體軸偏航力矩

模型體軸側(cè)向力如圖8所示。側(cè)向力（體軸系y 軸方向）在 0°＜ β?＜35°范圍內(nèi)，模型的側(cè)向力呈現(xiàn)增大的趨勢，在 35°＜ β?＜120°范圍內(nèi)，模型的側(cè)向力變化不明顯，在 120°＜ β?＜180°范圍內(nèi)，模型的側(cè)向力呈現(xiàn)減小的趨勢。圖中Fy表示模型的側(cè)向力。

圖6 模型風(fēng)軸阻力

圖8 模型體軸側(cè)向力

2.2 PIV試驗結(jié)果及分析

測力試驗測量出了不同風(fēng)向角下的阻力、偏航力矩及體軸側(cè)向力，PIV試驗則得到了客滾船在不同風(fēng)向角下的繞流場細節(jié)。下面對得到流場的速度矢量圖和速度云圖進行分析，參見圖9-圖14。

V?= 25 m/s、β?= 0°時的縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9（a）和下頁圖10（a）?？v向剖面處流線沿船體方向向后延伸，在各建筑物后均出現(xiàn)較小的扁平分離渦。這是由于分離渦前的建筑阻礙，使其后的流速較慢，從而產(chǎn)生壓力差，進而產(chǎn)生分離渦。

圖9 不同風(fēng)向角下客滾船縱剖面速度矢量圖（V?= 25 m/s）

V?= 25 m/s、β?= 45°時的客滾船模型縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9（b）和下頁圖10（b）。因流動風(fēng)向與船體有傾角側(cè)洗，與風(fēng)向角β?= 0°相比，船首部分離渦的扁平度減小，在船體后側(cè)的氣流開始出現(xiàn)上洗現(xiàn)象。這是由于風(fēng)向角越大，船體阻礙作用越強，使近船體流域的流速越慢壓強越大，從而產(chǎn)生上洗現(xiàn)象。

V?= 25 m/s、β?= 90°時的縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖9（a）和圖10（b）。在模型縱剖面可見明顯的流動分界線，分界線兩側(cè)氣流差異較大，分界線以外的氣流表現(xiàn)為上洗。

V?= 25 m/s、β?= 0°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見下頁圖11（a）和圖12（a）。由于船舶上層建筑的影響，在橫剖面上的橫向速度分量存在一半圓形分界線，分界線外部流線向外發(fā)散，近模型區(qū)橫向速度分量約為2 m/s。

圖10 不同風(fēng)向角下客滾船縱剖面速度矢量圖（V?= 25 m/s）

圖12 客滾船橫剖面速度云圖（V?= 25 m/s）

V?= 25 m/s、β?= 45°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖 11（b）和圖 12（b）。模型左舷迎風(fēng)面與風(fēng)洞地板間的角區(qū)內(nèi)存在明顯的流動分離，但0°時建筑物外圍的橫向分界線消失了，矢量圖上模型右舷建筑物主體后方存在一個近似圓形的分離渦。其形成原因是模型阻塞作用造成了船體頂部速度上升，最高處超過30 m/s，右舷建筑物后產(chǎn)生單個漩渦，漩渦中心處速度為0～3 m/s，進而產(chǎn)生壓力集中區(qū)。

V?= 25 m/s、β?= 90°時的橫向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖 11（c）和圖 12（c）。從速度矢量圖可以看出：此狀態(tài)客滾船的背風(fēng)面分離區(qū)影響范圍較大，而且還存在復(fù)雜的二次分離現(xiàn)象。這是由于風(fēng)向與船舶垂直，使左舷迎風(fēng)面的流動分離更加明顯。在圖12（c）上也可以看出模型右舷建筑物主體后方大片區(qū)域速度較低，流動近似靜止，而且船體頂部的速度梯度變化較大，產(chǎn)生的分離較復(fù)雜。

圖13 客滾船水平剖面速度矢量圖（V?= 25 m/s）

圖14 客滾船水平剖面速度云圖（V?= 25 m/s）

在水平剖面上選取兩個特殊風(fēng)向角0°和90°對水平剖面流場分布進行研究分析。V?= 25 m/s、β?= 0°時的水平剖面速度矢量圖和速度云圖見圖13（a）和圖14（a）。因模型阻塞作用使得側(cè)面流速高于來流，但未發(fā)生流動分離 現(xiàn)象。V?= 25 m/s、β?= 90°時的水平縱向剖面速度矢量圖和速度云圖見圖13（b）和圖14（b）。模型右舷迎風(fēng)面船首和船尾流線向兩側(cè)彎曲繞過模型。在圖14（b）上可以看出：客滾船模型左舷背風(fēng)面流線先由遠側(cè)向船中流動，然后分別流向船首和船尾，從而形成一對分離渦。

3 結(jié) 語

本文利用風(fēng)洞試驗和PIV技術(shù)對客滾船進行了風(fēng)場模擬和空氣繞流場顯示，對空氣繞流場細節(jié)進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著風(fēng)向角的增加，縱向風(fēng)軸阻力和橫向側(cè)向力都呈“拋物線”規(guī)律變化，偏航力矩呈“正弦曲線”分布，并存在兩個方向相反的阻力峰。

（2）在風(fēng)向角不為0°時，船體后側(cè)的氣流出現(xiàn)上洗現(xiàn)象，背風(fēng)舷側(cè)會產(chǎn)生大規(guī)模分離渦；風(fēng)向角為0°時，分離渦主要產(chǎn)生在高建筑與低建筑物的空隙處。為減少客滾船迎風(fēng)時的分離渦，可盡量減少上層建筑的高度差。

運用PIV技術(shù)對客滾船的風(fēng)阻流場進行研究后得出，PIV技術(shù)可以形象準(zhǔn)確地描述船舶的風(fēng)阻流場分布，使用流線表示流場的流動分離現(xiàn)象，將背風(fēng)面復(fù)雜的分離區(qū)準(zhǔn)確地顯示出來，從而對后期的CFD計算驗證以及風(fēng)阻優(yōu)化提供參考依據(jù)。