基于PIV的客滾船風阻流場研究

孫寒冰 昝立儒 孫志遠 鄒 勁

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

引 言

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

羅少澤等人［1］使用常規測力方法的風洞試驗研究了集裝箱船甲板上裝載的集裝箱的數量和位置對風阻系數的影響。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船的貨艙風阻進行了計算分析，驗證了大渦模擬方法對計算風阻的有效性。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阻預算，并將計算結果與Blender方法和OCIMF方法進行對比分析，低速時得到的結果相似，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阻作用的前提下，對客滾船水下部分在規則波中的載荷進行研究。SHEN Qing等人［5］對包括風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力矩和非線性阻尼力矩的影響，但也忽略了水上部分風阻載荷的影響。高兆棟［7］通過仿真，分析了客滾船在波浪下的載荷和橫搖。可以看出，目前針對船舶風阻特性的研究多集中于風洞試驗以及數值方法，而客滾船的阻力研究多數集中在水下部分。

如今，一種粒子圖像測速技術（particle image velocimetry，PIV）開始應用于大型風洞中，技術也漸趨完善［8］。船舶行業PIV技術的應用研究主要在水動力研究領域。KIM W J等人［9］應用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］應用PIV對KCS的橫向流場進行了測量，準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狀態和橫風狀態下客滾船上層建筑周圍流場的細節信息，并結合試驗現象和結果分析客滾船船空氣繞流場的特點。

1 試驗設備和模型

1.1 PIV設備

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圖像技術，通常在流場的“平面薄片”中進行測量。PIV系統主要由成像系統和分析顯示系統組成。成像系統由激光器、片光元件、激光脈沖同步器、CCD攝像機組成；分析顯示系統主要由圖像采集裝置和圖像分析軟件及計算機組成。PIV設備圖如圖1所示。

圖1 PIV設備圖

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生器產生所需的粒子，粒子介質為橄欖油，產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。示蹤粒子發生器安裝在風洞駐室，由管道引入風洞穩定段。示蹤粒子發生器如圖2所示。

圖2 示蹤粒子發生器

1.3 模型參數

本試驗模型由哈爾濱工程大學設計并加工，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，模型及主要參數見圖3與表1。

圖3 試驗模型

表1 模型參數mm

1.4 PIV試驗方法

本文基于風軸系與體軸系兩個坐標系對客滾船的風阻進行分析。其中風軸系指大地坐標系，這里建立體軸系坐標系，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試驗改變模型風向角時，相機和片光繞風洞轉盤中心同步旋轉，相機和片光位置相對固定；當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，片光高度由風洞外移測架升降實現，相機位置不動，通過調節焦距使圖像清晰，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，激光器安裝在風洞上轉盤外，相機固定在風洞內的地板上（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 試驗結果

2.1 測力試驗結果分析

測力試驗模型的姿態由迎角、側滑角機構和姿態角控制系統配合完成。

在標準大氣條件下，對模型氣動力及力矩進行測量。影響試驗準確性的誤差主要包括風速控制、姿態角控制和壓力測量。試驗系統誤差見表3。

表3 試驗系統誤差

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

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，模型產生逆時針偏航力矩，模型的偏航力矩先增大后減小，當β=45°時，偏航力矩達到最大值。在 105°＜ β ＜180°范圍內，模型產生順時針偏航力矩，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

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

圖6 模型風軸阻力

圖8 模型體軸側向力

2.2 PIV試驗結果及分析

測力試驗測量出了不同風向角下的阻力、偏航力矩及體軸側向力，PIV試驗則得到了客滾船在不同風向角下的繞流場細節。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）。縱向剖面處流線沿船體方向向后延伸，在各建筑物后均出現較小的扁平分離渦。這是由于分離渦前的建筑阻礙，使其后的流速較慢，從而產生壓力差，進而產生分離渦。

圖9 不同風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）。因流動風向與船體有傾角側洗，與風向角β?= 0°相比，船首部分離渦的扁平度減小，在船體后側的氣流開始出現上洗現象。這是由于風向角越大，船體阻礙作用越強，使近船體流域的流速越慢壓強越大，從而產生上洗現象。

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，分界線兩側氣流差異較大，分界線以外的氣流表現為上洗。

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散，近模型區橫向速度分量約為2 m/s。

圖10 不同風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）。模型左舷迎風面與風洞地板間的角區內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，右舷建筑物后產生單個漩渦，漩渦中心處速度為0～3 m/s，進而產生壓力集中區。

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：此狀態客滾船的背風面分離區影響范圍較大，而且還存在復雜的二次分離現象。這是由于風向與船舶垂直，使左舷迎風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，產生的分離較復雜。

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面流速高于來流，但未發生流動分離 現象。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）。模型右舷迎風面船首和船尾流線向兩側彎曲繞過模型。在圖14（b）上可以看出：客滾船模型左舷背風面流線先由遠側向船中流動，然后分別流向船首和船尾，從而形成一對分離渦。

3 結 語

本文利用風洞試驗和PIV技術對客滾船進行了風場模擬和空氣繞流場顯示，對空氣繞流場細節進行分析，得到以下結論：

（1）隨著風向角的增加，縱向風軸阻力和橫向側向力都呈“拋物線”規律變化，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）在風向角不為0°時，船體后側的氣流出現上洗現象，背風舷側會產生大規模分離渦；風向角為0°時，分離渦主要產生在高建筑與低建筑物的空隙處。為減少客滾船迎風時的分離渦，可盡量減少上層建筑的高度差。

運用PIV技術對客滾船的風阻流場進行研究后得出，PIV技術可以形象準確地描述船舶的風阻流場分布，使用流線表示流場的流動分離現象，將背風面復雜的分離區準確地顯示出來，從而對后期的CFD計算驗證以及風阻優化提供參考依據。