PIV技術在某駁船模型強迫橫搖水動力測試中的應用

王曉強，劉懷西，馬山，郭春雨

1海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢430064

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

PIV技術在某駁船模型強迫橫搖水動力測試中的應用

王曉強1，劉懷西2，馬山2，郭春雨2

1海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢430064

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

［目的］為研究船舶橫搖過程中粘流場細節以提高橫搖阻尼數值模擬精度，［方法］開展了粒子圖像測速（PIV）技術在靜水強迫橫搖水動力測試中的應用研究。首先，采用自制的強迫橫搖裝置在水池中開展某駁船在不同搖幅和振蕩周期下船舶橫搖水動力與舭部流場的同步測試。觀測舭部粘流場在船體振蕩過程中的變化規律，研究橫搖阻尼系數隨搖幅和周期的變化規律。然后，將模型試驗測試結果與計算流體動力學（CFD）軟件模擬結果進行對比。［結果］結果表明，CFD預報船舶橫搖整體阻尼系數精度較好，但預報的局部流場細節與模型試驗測試結果間存在一定的差異，［結論］需在模型試驗技術和CFD預報技術上開展進一步研究。

粒子圖像測速；CFD；橫搖運動；橫搖阻尼系數；流場測量

0 引 言

橫搖運動是影響船舶在波浪中航行性能的重要指標，目前國際海事組織（IMO）正在制定第二代完整穩性規范［1］，其中大幅橫搖運動作為參與參數橫搖、癱船穩性和過度加速度這3類風浪中動穩性問題的影響因素，受到造船行業的廣泛關注。橫搖阻尼是影響船舶橫搖運動的重要因素，對其準確估算因涉及到復雜的流體渦流效應而成為水動力學研究中的一個關鍵問題。傳統的船模橫搖水動力測試試驗往往關注橫搖阻尼系數的定量獲取，而忽視了橫搖運動擾動流場細節的定性觀察。

隨著流動顯示技術的發展，粒子圖像測速（PIV）技術由于其在精細流場監測方面的強大能力而在水池試驗中應用越來越廣泛。將其應用到船舶橫搖阻尼水動力測試中，可以監測橫搖運動時船體舭部流動分離、漩渦泄出等與船舶橫搖性能密切相關的物理現象，已成為研究橫搖水動力物理特性、輔助數值建模的重要技術。

在國外，PIV技術發展較早且在水池試驗中已開展了較廣泛的應用。Bassler等［2］針對DTMB 5699船舯剖面開展了大幅強迫橫搖水動力測試試驗，通過舭龍骨水動力載荷和舭部PIV精細流場測試研究了大幅橫搖過程中的水動力阻尼規律。Kawata和Obi［3］利用PIV系統獲得湍流場的速度信息，研究了流場速度與壓力的關系。Irkal等［4］在水槽中開展了某矩形截面船體剖面自由衰減橫搖測試研究，采用PIV技術進行橫搖過程中舭部粘流場測試，研究測量了不同尺寸和構型舭龍骨下的流場特征，并將結果與CFD仿真結果進行了對比。

在國內，PIV技術在水動力流場研究中的應用相對較晚，但近些年發展較快。例如，李廣年等［5］在大型空泡水洞中成功開展均勻來流下的螺旋槳測試研究，驗證了PIV技術在這一領域應用的可行性；郄祿文等［6］基于PIV技術，研究了規則波作用下不同形式防波堤周圍的渦旋場特性。當前，國內介紹PIV技術在船模水池試驗中應用的文獻較少，尚未見到將PIV技術用于船模橫搖水動力流場測試方面的內容。

目前，CFD技術在船舶水動力學研究中發展迅速，能夠面向整個流場提供任何位置的物理信息［7］，如湍流強度、雷諾數、漩渦強度、流場速度矢量等，便于與水池試驗的結果進行比較，更好地了解流場特性。Zhou等［8］采用三維粘流分析軟件對4種不同類型船舶零航速下自由衰減橫搖運動進行了模擬，數值結果得到了模型試驗的驗證，表明CFD技術在船舶橫搖阻尼預報上有很好的適用性。Begovic等［9］采用CFD技術對DTMB 5415標模在完整和破損情況下零航速自由衰減橫搖阻尼開展了分析研究，對網格、時間步長和湍流模型等敏感因素進行了分析。Yildiz等［10］針對S60船舯剖面在有限水深情況下開展了強迫橫搖水動力測試試驗，基于測試數據對比分析了CFD結果和Ikeda經驗公式預報結果的計算精度。

本文將開展PIV技術在駁船船模強迫橫搖試驗中的應用研究，該試驗在哈爾濱工程大學船模拖曳水池進行。試驗中，利用先進的PIV系統精確測量擾動流場的物理信息，通過示蹤粒子圖像處理可視化顯示船模橫搖運動時船體舭部附近的流動分離、漩渦泄出等現象，研究船舶橫搖運動特性。并利用商業CFD軟件進行這一問題的數值模擬，做出二者結果定性和定量的比較。

1 PIV工作原理及其系統組成

1.1 PIV工作原理

PIV技術結合了光學技術、圖像處理技術和計算機技術的研究成果，利用專業設備獲取全流場的實時物理信息，達到對整個流場的精確測量。可提供豐富的流場空間信息及速度矢量、流線、漩渦等流動信息。

基于PIV技術的試驗內容主要為：

1）在流場內均勻布置示蹤粒子，示蹤粒子的運動反映所在流場內相應位置處的流體質點運動狀況。

2）用足夠強的自然光或激光光源照射所測流場的平面，由于粒子對光的散射作用，利用CCD相機或其他成像系統記錄連續2次曝光或多次曝光的粒子圖像。

3）根據各相鄰粒子圖像中同一粒子間的距離和脈沖時間間隔，處理得到整個監測域的速度場。

4）至于渦量場等其他流場信息，通過對速度場數據處理得到。

1.2 PIV系統組成

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

1）示蹤粒子。

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

2）成像系統。

包括雙脈沖激光片光源、透鏡和照相機。當激光器產生的光束經過透鏡散射后形成約1 mm的片光源入射到流場待測區域時，CCD相機以垂直于片光源的方向對準該區域，利用示蹤粒子對光的散射作用記錄下2次或多次脈沖激光曝光時粒子的圖像，形成2幅相同待測區域、不同時刻的PIV底片。

3）圖像處理系統。

根據粒子圖像提取速度場。將粒子圖像分成若干很小的區域（查詢區），利用互相關法或自相關法求取查詢區內粒子位移的大小和方向，由于脈沖激光片光源的脈沖時間間隔一定，這樣就能計算得到粒子的速度矢量。通過這樣逐一查詢的方式，得到整個流場的速度矢量場。

2 強迫橫搖水動力試驗條件及內容

2.1 試驗條件及設備

試驗在哈爾濱工程大學船模拖曳水池進行。圖1和圖2所示為試驗的水池狀況及試驗設備。下面給出試驗水池參數以及PIV系統的設備參數。

2.1.1 試驗水池的條件及主要指標參數

1）拖曳水池。其長×寬×水深分別為108 m× 7 m×3.5 m。

2）拖車。其穩速范圍為0.1～6.5 m/s，精度為0.1%。

3）數據采集與分析處理系統。其型號為DEWE2010，精度16 bit。

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

2.1.2 PIV系統設備及主要技術指標

在該船模強迫橫搖水動力試驗中，利用隨車式PIV系統監測船體舭部附近流場的流動情況，得到速度場、渦量場等流場細節。所采用設備及其主要技術指標如下。

1）CCD相機分辨率：2 048×2 048像素；

2）激光器最大脈沖能量：1 200 mJ；

3）激光光束持續時間：4 ns；

4）激光波長：532～1 064 nm；

5）光片厚度：0.6 mm；

6）測量區域大小：400 mm×400 mm；

7）PIV示蹤粒子：聚酰胺示蹤粒子（PSP-50 μm）；

8）PIV興波測量實驗數據分析設備：DynamicStudio（Smart Software for Imaging Solutions）。

2.2 試驗對象及參數

試驗對象為玻璃鋼駁船模型。為簡化船型帶來的影響，該駁船橫截面為矩形，吃水和船寬沿船長方向不變，其空船重量為56.1 kg，經壓載調整后得到試驗時的船模主尺度參數如表1所示。

試驗測試橫搖幅值分別為 0.06，0.11和0.24 rad，在主要可能頻率下進行強迫橫搖試驗。處理試驗結果將得到不同搖幅、不同頻率下的橫搖阻尼系數，以及各工況下的流場速度矢量圖和渦量圖。

2.3 試驗過程

靜水強迫橫搖試驗是評估船舶橫搖性能的基本試驗，可以在整個振蕩頻率范圍上測出橫搖水動力特性和大幅橫搖時的非線性阻尼系數。試驗中，將船模平衡放置，利用自研的強迫橫搖裝置讓船模繞固定轉軸做給定搖幅和振蕩頻率的簡諧橫搖運動。

船模強迫橫搖運動形式為

式中：θ0為船模強迫橫搖幅值；ω為橫搖圓頻率。

本試驗中的數據采集分為2部分。第1部分是流場信息的采集，利用PIV系統完成；第2部分是橫搖轉角及力矩的測量，利用車載傳感器和數據采集系統完成。2部分內容在試驗中同時進行。

圖3和圖4分別為強迫橫搖運動裝置效果圖以及模型試驗中強迫橫搖PIV精細流場測試工作圖。其中，強迫橫搖裝置由固定裝置（1）、控制與驅動裝置（2）、曲柄導軌移動機構（3）、連桿驅動機構（4）、測力和力矩天平（5）共5部分組成。PIV脈沖激光片光源位于船模一側，通過連續發射激光測量流場流動。試驗時在流場中散播示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射船模舭部附近的流場區域，通過連續2次曝光，粒子圖像被記錄在CCD相機底片上，攝取該區域粒子圖像的幀序列，并記錄相鄰2幀圖像之間的時間間隔，利用圖2中Dyanmic Studio軟件進行圖片相關分析，獲得粒子圖像，進而得到船模舭部附近速度矢量圖。利用TECPLOT后處理軟件根據Dynamic Studio分析得到的速度矢量圖計算船模舭部附近的渦量圖。本次強迫橫搖水動力試驗選擇的激光脈沖間隔為0.135 s。

3 結果與討論

根據以上強迫橫搖試驗測量得到的水動力數據，可以計算出橫搖阻尼系數。同時，將其與CFD結果進行比較，驗證CFD方法的精確性。最后，給出二者得到的流場信息對比。

3.1 水池試驗結果

本節給出橫搖水動力和流場信息的試驗結果并對其進行深入分析。圖5所示為根據水池試驗數據得到的3個橫搖幅值下的船模橫搖阻尼系數。圖中，縱坐標B44為無因次橫搖阻尼系數。

從圖中可以看出，總體趨勢上，當橫搖角幅恒定時，無因次橫搖阻尼系數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，阻尼系數越大。這與實際經驗相符合，船舶橫搖角度越大，搖得越快，則流體阻尼作用越顯著。在測試過程中，受機構設計上的限制，本文沒有開展0.24 rad（約13.75°）以上搖幅的橫搖阻尼測試。大幅橫搖下，船舶橫搖水動力阻尼受舭部出、入水過程和自由面效應影響，水動力阻尼系數隨搖幅和振蕩頻率的變化將更為復雜，其具體規律需開展進一步的模型試驗測試和理論分析才能確定，針對圖5的分析結論不適用于本文沒有討論的更大搖幅情況。

圖6所示為通過PIV測量得到的船體橫剖面附近流場的速度矢量圖。選取的試驗參數為橫搖幅值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）可以看出，隨著船舶橫搖到不同角度，船體舭部附近的流場出現流動分離現象，船體舭部出現漩渦，體現在舭部附近的速度矢量明顯比舭部周圍要雜亂不規律，并且呈漩渦狀。而且，從速度云圖中可以看出，相對其他區域的流場速度，船體舭部附近的流場速度矢量顏色要更深一些，即速度要大一些。這也就說明橫搖運動時舭部附近的流速要相對快些。

通過對PIV流場信息圖的觀察發現：在一個運動周期內，船模橫搖時舭部的流場速度要比其他地方大，舭部附近出現明顯的漩渦；渦脫落現象主要集中在拐角區域。隨著橫搖運動的進行，拐角處的漩渦逐漸由產生到分離再到脫落，連續交替進行。另外在圖6中我們也注意到船舶舭部流場信息有空白之處，其原因是在模型試驗過程中船體表面出現了反光現象，影響了局部區域粒子圖像測試效果和后續的速度流場分析，使得該區域測試流場失真，故將相關信息擦除了。針對該問題的有效解決辦法是在船體表面進行更為有效的涂漆操作，相關模型試驗技術將在后續試驗中進行研究。

3.2 CFD數值模擬結果

首先，比較水池試驗與CFD方法得到的橫搖水動力系數，以定量驗證CFD方法的有效性。

關于CFD方法計算船模強迫橫搖阻尼系數的基本原理，這里簡要給出。

對于單自由度強迫橫搖二維數值模擬，其強迫橫搖運動的形式與模型試驗中強迫橫搖形式相同，如式（1）所示。

通過UDF編譯程序，將強迫橫搖數值模擬水動壓力場中去除重力影響外的動壓力 pd沿船體表面積分得到強迫橫搖動力矩Md。

將Md分解為慣性項和阻尼項，即

式中，A44為船舶橫搖附加質量系數。

通過基于CFD獲得的強迫橫搖動力矩Md，可獲取船舶橫搖附加質量系數A44和無因次橫搖阻尼系數B44。可采用的方法包括傅里葉級數展開法、水動力載荷時歷的最小二乘擬合等。需要說明的是，即使針對同一段載荷時歷，不同的數據處理方法獲得的橫搖附加質量和阻尼系數數值結果也會存在一定的差別，特別是水動力載荷時歷中量級相對較小的阻尼力，其阻尼系數的處理結果受處理方法的影響更大一些。

本文采用的方法屬于水動力載荷時歷中的最小二乘擬合。由于數據處理過程會引入誤差，為盡量減小該誤差，在具體的數據擬合過程中，本文在CFD模擬獲得的橫搖動力矩Md較為穩定的時間段選取了多個橫搖周期結果開展擬合以獲得橫搖阻尼系數。

對數值模擬獲得的橫搖動力矩Md進行數據擬合，具體形式如下：

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

通過對比式（2）和擬合后的式（3），可以得到：

根據以上原理，并合理劃分流場網格，定義湍流模型、網格數量、邊界條件和初始條件，開展基于雷諾平均納維—斯托克斯（RANS）的強迫橫搖粘流模擬，可計算出該模型的橫搖阻尼系數。這里不做具體討論，可查看文獻［11］，該文詳述了二維強迫船模橫搖試驗的FLUENT軟件模擬細節，并做了數值模擬有效性驗證。

圖7給出了數值模擬與水池試驗船舶橫搖阻尼系數結果的比較。從圖中可以看出，二者總體上吻合較好，這表明CFD數值模擬是船舶橫搖水動力阻尼問題分析的有效手段。

圖8給出了針對本模型試驗某橫搖工況利用CFD軟件FLUENT模擬得到的渦量場云圖與PIV測試結果的比較。由圖可知，數值結果也捕捉到了船體舭部附近的流動分離和漩渦泄出現象，其與測試流場相比相似但并不完全一致。本文針對模型試驗中多組試驗工況進行了數值仿真流場與測試流場細節的詳細對比，總體上看數值模擬結果在船舶舭部的流場細節上與模型試驗結果間有一定的差距，符合程度不如圖7給出的橫搖阻尼數值模擬和模型試驗結果。分析表明，其原因應該是多方面的，涉及到CFD湍流模型對船舶舭部粘流場模擬的精細程度、模型試驗流場可重復性考察驗證和非定常橫搖運動流場的瞬態變化特征等多種因素，尚需進一步研究。

4 結 論

本文將PIV流場測試技術應用于船舶大幅橫搖水動力精細流場測試分析工作，在船舶拖曳水池開展了強迫橫搖水動力測試模型試驗，獲得了橫搖水動力阻尼系數和橫搖過程中船體舭部的流場細節，并將相關結果與CFD數值仿真結果進行了橫向比較分析。主要結論如下：

1）基于PIV測試獲得了船舶強迫橫搖舭部粘流場，給出了流場速度分布和旋渦在振蕩周期內的生成和脫落情況，揭示了橫搖水動力流場的局部特征，可用于驗證CFD數值模擬結果。

2）針對零航速駁船，在最大測試搖幅13.75°以內，將CFD數值模擬橫搖阻尼系數與模型試驗測試結果進行對比，二者吻合較好，表明CFD模擬技術總體上能夠捕獲橫搖過程中總體水動力粘性效應，較為有效。

3）通過橫向比較強迫橫搖駁船舭部粘流場局部細節的CFD仿真與PIV測試結果發現，二者總體上存在一定的差異，表明用CFD精細模擬船舶強迫橫搖粘流場局部細節比模擬總體的粘流阻尼難度要大。要想使CFD仿真與PIV測試取得更為一致的結果，需在湍流模型選擇和模型試驗技術上開展進一步的研究。

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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，劉懷西，馬山，等.PIV技術在某駁船模型強迫橫搖水動力測試中的應用［J］.中國艦船研究，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"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 16:31

國防基礎科研計劃資助項目（B2420132001）；國家自然科學基金資助項目（51379045，51679043，51679053）

王曉強，男，1981年生，博士，工程師。研究方向：船舶水動力性能與結構動響應。E-mail：wxq11211@163.com

劉懷西，男，1990年生，碩士生。研究方向：船舶水動力性能。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：船舶推進節能與模型試驗技術。

E-mail：guochunyu@hrbeu.edu.cn

期刊網址：www.ship-research.com