基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)的潛艇尾流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

趙大剛，徐 鵬，韓 陽(yáng)，郭春雨，孫 聰，周廣利

（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

各大高校將實(shí)驗(yàn)課程視為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才必不可少的重要環(huán)節(jié)，逐漸加大實(shí)驗(yàn)課程投入力度［1-2］，開(kāi)發(fā)新穎實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量［3-4］。而枯燥乏味的流體力學(xué)課程亟待引進(jìn)新穎實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量。如何將新穎實(shí)驗(yàn)方法與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，是目前流體力學(xué)教學(xué)中重要問(wèn)題［5-7］。2019年課題組嘗試將流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)［8］，并建立了以先進(jìn)粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）為基礎(chǔ)測(cè)量手段的學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，成功探索了流體力學(xué)課程新穎實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并取得不錯(cuò)的教學(xué)成效。

1 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)誕生以來(lái)，由于其無(wú)接觸、瞬時(shí)、全局的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)［9］，迅速成為科研人員手中的利器［10-11］。不僅能夠測(cè)量流場(chǎng)的速度信息，還能夠通過(guò)速度場(chǎng)派生出更多物理場(chǎng)信息，如壓力場(chǎng)等。近年來(lái)，隨著PIV技術(shù)的普及和快速發(fā)展，PIV技術(shù)成為目前流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量手段［12］。

根據(jù)空間測(cè)量能力PIV可分為二維和三維PIV，根據(jù)時(shí)間分辨能力進(jìn)一步分為TR-PIV。PIV系統(tǒng)一般由高速相機(jī)、激光器、同步器和采集系統(tǒng)構(gòu)成。通過(guò)在待測(cè)流場(chǎng)中布撒跟隨性、反光性良好的示蹤粒子，利用激光片光照射待測(cè)截面，由高速相機(jī)捕捉示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)信息，最后通過(guò)分析軟件得到示蹤粒子的速度信息，即為待測(cè)流場(chǎng)的速度信息。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在課題組先前的嘗試基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將PIV流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以潛艇水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)為例簡(jiǎn)要介紹PIV測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工況

實(shí)驗(yàn)采用的潛艇模型為標(biāo)準(zhǔn)SUBOFF模型等比例縮放而成，長(zhǎng)度為1 m，由聚乳酸（PLA）材料經(jīng)3D打印制成。潛艇模型表面打磨光滑，制作防水涂層，為防止在測(cè)量過(guò)程中激光強(qiáng)反光，對(duì)模型進(jìn)行噴涂處理，艇體首部L／20處加裝激流裝置以加快艇體表面的層流轉(zhuǎn)淚，潛艇模型如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

圖1 SUBOFF模型

表1 SUBOFF模型主要參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)工況表

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在校船模水池實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，拖曳水池如圖2所示，其基本參數(shù)為：

拖曳水池長(zhǎng)×寬×深＝108 m×7 m×3.5 m；

拖車穩(wěn)速范圍0.1～6.5 m／s；精度0.1%。

圖2 拖曳水池實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)所用的PIV測(cè)量系統(tǒng)為丹麥Dantec Dynamics公司專門為我校設(shè)計(jì)的一款2D-3C級(jí)別的水下SPIV系統(tǒng)，布置形式為隨車式且放置于拖車右側(cè)。該套系統(tǒng)包括一個(gè)浸沒(méi)水中的雷體、兩個(gè)翼型支架、脈沖式激光器、同步器、圖像采集裝置、粒子播撒裝置等。SPIV系統(tǒng)如圖3所示，PIV性能指標(biāo)如表3所示。

圖3 SPIV系統(tǒng)

表3 PIV性能指標(biāo)

通過(guò)固定支架將潛艇模型固連在拖車測(cè)橋上，固定方式為艇尾固定，如圖4所示。PIV互相關(guān)分析參數(shù)如表4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表4 互相關(guān)分析相關(guān)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)步驟（見(jiàn)圖5）：

（1）潛艇水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備；

（2）連接潛艇水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)裝置；

（3）完成系統(tǒng)標(biāo)定，并播撒足量示蹤粒子；

（4）激光照射待測(cè)流場(chǎng)，示蹤粒子在激光片光的照射下形成粒子散光；

（5）同時(shí)利用2臺(tái)高速相機(jī)捕捉待測(cè)流場(chǎng)中示蹤粒子位置信息，生成一對(duì)互相關(guān)圖像；

（6）對(duì)多幅粒子圖像對(duì)進(jìn)行降噪、矢量生成和去矢量誤配，合成最后尾流場(chǎng)。

圖5 流場(chǎng)測(cè)速實(shí)驗(yàn)流程

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)掩膜、互相關(guān)分析等操作，得到螺旋槳盤(pán)面流場(chǎng)瞬態(tài)速度圖，將一系列的瞬時(shí)速度云圖平均化處理得到的時(shí)均伴流場(chǎng)軸向速度云圖，如圖6所示。

圖6 4D潛深下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)PIV測(cè)試大致描繪出了潛艇槳盤(pán)面處流場(chǎng)的幾項(xiàng)重要特征。首先，速度云圖呈現(xiàn)出沿槳軸徑向速度值連續(xù)增加的圓圈式形狀；其次，4個(gè)十字舵角度最外側(cè)的速度等值線向外凸出，對(duì)應(yīng)速度等值線0.8～0.95表現(xiàn)出了十字舵后端由于速度削減效應(yīng)產(chǎn)生的低速區(qū)的存在；另外，內(nèi)側(cè)的速度等值線朝向槳軸中心凹陷，對(duì)應(yīng)速度等值線0.4～0.7。這是由于主附體交接部的馬蹄渦作用造成的動(dòng)量交換，使得中心位置動(dòng)量增加，兩側(cè)動(dòng)量降低，從而形成近似V型的速度等值線結(jié)構(gòu)。在徑向上表現(xiàn)為馬蹄渦將高動(dòng)量的流體卷攜至徑向內(nèi)部，低動(dòng)量的流體卷攜至徑向外部。大潛深工況下，航速的變化代表雷諾數(shù)影響，隨著Fr數(shù)增加即Re增加，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征基本一致。

3 教學(xué)成效

船舶與海洋工程專業(yè)課程中船舶快速性實(shí)驗(yàn)、船舶耐波性實(shí)驗(yàn)等課程均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅得到宏觀層面的力與力矩，無(wú)法從微觀層面理解產(chǎn)生力與力矩的流體力學(xué)本質(zhì)，這大大限制學(xué)生的創(chuàng)新能力，給教學(xué)質(zhì)量的提高帶來(lái)困難。同時(shí)，船舶領(lǐng)域在短短的幾十年時(shí)間里發(fā)展出一系列先進(jìn)測(cè)試技術(shù)，學(xué)生不僅需掌握傳統(tǒng)測(cè)試方法，更應(yīng)該了解本專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)測(cè)量方法，以適應(yīng)領(lǐng)域需求。將PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)引進(jìn)課堂，不僅僅是傳統(tǒng)教學(xué)的提升，更是時(shí)代潮流所趨。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們了解PIV測(cè)試技術(shù)的原理與組成的同時(shí)，還能夠鍛煉學(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)。從微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面對(duì)宏觀層面的力與力矩產(chǎn)生更加深刻的認(rèn)知，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)原理的理解，鞏固所學(xué)知識(shí)。

教師在教學(xué)的同時(shí)能夠激發(fā)自己的科研靈感，不斷創(chuàng)造出新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)來(lái)支撐關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究與探索。同時(shí)，科研成果的產(chǎn)出進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。這種研學(xué)結(jié)合新模式形成一種良性循環(huán)，在擴(kuò)大科研成果產(chǎn)出的同時(shí)，能夠帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)測(cè)試技術(shù)有基本了解，新穎的實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

自本課題組采用此教學(xué)方式以來(lái)，取得了不錯(cuò)的教學(xué)成果，得到學(xué)校教學(xué)層面的認(rèn)可。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到提升，同時(shí)還能夠?qū)⒔虒W(xué)實(shí)驗(yàn)成果化，學(xué)生在指導(dǎo)下創(chuàng)造性地完成多項(xiàng)科研成果產(chǎn)出［13-16］。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)成為高校培養(yǎng)人才中重要的環(huán)節(jié)之一，采用新穎的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法更是現(xiàn)代教學(xué)的新趨勢(shì)。課題組將粒子圖像測(cè)速技術(shù)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新，開(kāi)辟出一條科研、教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方案，極大地激發(fā)了學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，在提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)也促進(jìn)了科研成果的產(chǎn)出。

·名人名言·

科學(xué)的真理不應(yīng)該在古代圣人的蒙著灰塵的書(shū)上去找，而應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中和以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的理論中去找。

——伽利