PIV流場測量技術在實驗教學中的應用

郭春雨, 孫 聰, 趙大剛, 周廣利, 于 凱

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院 船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

實驗教學在大學生創新實踐能力的培養上有著舉足輕重的作用[1-3]。教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》指出,應“創新教育教學方法,倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學”[4]。新穎的實驗設備和實驗方法,更能激發學生的實驗熱情,促進實驗教學,實現創新人才的培養。如何采用創新性實驗方法進行流體力學實驗,是目前流體力學教學中的重要問題[5-7]。

1 關于PIV技術

粒子圖像測速技術(PIV)是一個成組性實驗室技術,即從數字化二維流體圖像部分的粒子位移圖提取速度場。速度可以通過交叉相關或跟蹤單個的示蹤粒子得到。最先進的PIV系統采用數碼照相技術,應用激光照明和高速計算機進行數據處理。與其他測速技術(如激光多普勒測速系統等)相比,粒子圖像測速技術(PIV)的優勢是可以同時測量包括漩渦結構、流動分離、雷諾應力、湍流特性和表面二維擴散在內的復雜流場研究中的完整速度場。像PIV這樣強大的實驗測試技術,可作為提高理論計算精度的典型工具,在現有模型存在不足或缺少模型時,可用于驗證模型或作為發展新的理論的指導工具。

本文將PIV技術應用到實驗教學中,建立了一套適合本科實驗教學的船舶標稱伴流場測量方法,通過更加新穎的教學模式提高學生的感性認識,加深他們對實驗原理的理解,從而提升教學效果[8]。

2 PIV原理及優點

首先,在流場中散播標記物,一般為粒子、氣泡或分子標記物,稱之為示蹤粒子,要求示蹤粒子的跟隨性和反光性良好,且比重與流體相當。然后將脈沖激光器的片光源入射到流場中的待測區域,利用示蹤粒子對光的散射作用,用高頻相機記錄下脈沖激光器曝光時粒子的圖像。再通過對圖像的處理與分析,得到流場中各點的速度矢量,并計算出其他運動參量(如速度矢量圖、速度分量圖、流線圖等)[9]。

PIV的突出優點是：(1)突破了空間單點測量(如LDV)的局限性, 實現了全流場瞬態測量；(2)實現了無干擾測量,而用畢托管或HWFV等儀器測量時,對流場都會產生一定的干擾；(3)容易求得流場的其他物理量。由于得到的是全場的速度信息,可以方便地運用流體運動方程求解諸如壓力場、渦量場等物理信息。基于PIV的以上優點,2011年底我校結合船舶與海洋工程的相關研究特點,邀請丹麥DANTEC公司針對我校水池設計了目前國內唯一一臺隨車式三維PIV[10]。

3 實驗教學設計

本文以基于PIV的船舶尾部伴流場實驗研究為例,簡要介紹使用PIV測量船舶伴流場的實驗過程設計。

3.1 實驗模型與工況

實驗主要采用韓國KRISO(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering)設計的3600TEU集裝箱船(KCS)為實驗研究對象,模型如圖1所示,模型的詳細參數見表1,模擬工況詳細參數見表2。

圖1 KCS船舶模型

主尺度全尺寸模型實驗模型垂線間長Lpp/m230.04.3671型寬B/m32.20.6114吃水T/m10.80.2051濕表面積(無舵)S/m29 5303.4357方形系數CB0.6510.651縮尺比μ152.667

表2 模擬工況

3.2 實驗設備

3.2.1 拖曳水池和適航設備

KCS船在不同裝載狀態下船舶尾部伴流場的PIV測量,是在我校船模水池實驗室進行的,PIV的布置形式為隨車式，布置于拖車右部側橋,具體的實驗設備如下(圖2和圖3)：

拖曳水池：長度×寬度×水深=108 m×7 m×3.5 m；

拖車：穩速范圍0.1～6.5 m/s，精度：0.1%；

四自由度適航儀(日本)：型號GEL-421-1,量程T≤150 N ,可測升沉±200 mm,縱蕩±400 mm,橫搖角±50°,縱搖角±50°,精度0.1%。

圖2 拖曳水池

圖3 四自由度適航儀

3.2.2 DANTEC隨車式水下PIV測量系統

該系統(圖4)的性能指標如下：

(1) CCD分辨率：2 048×2 048 pixels；

(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) 片光厚度：0.6 mm；

(6) PIV示蹤粒子：聚酰胺示蹤粒子(PSP-50)；

(7) PIV測量實驗數據分析軟件：Dynamic Studio V3.20。

圖4 隨車式水下PIV測試系統

3.3 實驗流程與方法

船舶尾部伴流場的測量有4個步驟(見圖5)：(1)PIV精細流場測量準備；(2)完成測量系統的標定,并通過足夠示蹤粒子的布散,形成粒子濃度均勻的粒子場來代替流場；(3)激光發射器發射激光照射示蹤粒子,把被照射的熒光粒子作為瞬時時刻流場中流體觀測質點,同時使用2個相機進行雙幀拍攝,并生成一對互相關圖像；(4)對多幅雙幀照片進行去噪、矢量生成和去除矢量誤配,最后合成船舶伴流場。

圖5 實驗流程圖

圖6 測量中的PIV裝置

3.4 PIV帶來的改革和意義

3.4.1 實驗教學內容的變革

傳統的實驗教學內容主要為驗證型實驗,主要包括雷諾實驗、水靜力學實驗、文丘里實驗、畢托管實驗等,學生只能從宏觀的角度觀察實驗現象,在教師給定的框架內進行實驗,極大地限制了學生的創新能力,缺乏綜合能力訓練。在拖曳水池中,船舶在波浪中的水動力學性能的實驗教學,通常為對宏觀力的耐波性及阻力性能的實驗研究,學生雖能明顯感受到實驗現象的變化,能按任務書要求分析實驗數據,但往往在實驗完成后仍不能充分理解引起流體變化的機理[11-12]。

引入先進的PIV測量技術后(見圖6),使該實驗不僅是一個精細流場現象的觀察實驗,更能在實驗中帶領學生從流場機理角度出發,認識船舶在波浪中運動的水動力學性能。

3.4.2 PIV的實驗教學意義

PIV作為現階段發展比較完善的非接觸式精細流場測試技術,相較于其他流場測量技術,具有流場干擾小、測量頻率高、空間分辨率高、獲取信息量大及性能穩定等特點,足以激發學生的學習熱情。PIV技術用途廣泛,除了所述的教學實驗,學生還可根據自身的想法進行實驗方法的創新與優化,達到提升學生創新實踐能力的目的。

在PIV實驗中,學生需要了解PIV系統的組成部分,以及每個部分的具體功能,弄懂PIV測量流場的原理及基本步驟。要求學生不僅有較強的動手能力和實驗組織能力,還需要考慮如何達到最好的測量效果,需要具備對粒子圖像進行優化與分析的數據處理能力。

自本實驗室引入PIV技術進行本科生實驗教學以來,學生的動手能力、數據處理能力和創新實踐能力大幅提升,對船舶波浪流場的水動力性能等有了更為深入的理解。近年來,學生在教師的引導下,完成了多項相關的科技創新作品,并成功申請了多項相關專利[13-14],取得了很好的教學效果。

4 實驗教學成效

實驗教學中采用先進PIV系統的教學成效主要體現在以下方面：

(1) 科研和實驗教學的關系進一步明確,將專業特色鮮明的科研成果融入實驗教學的理念得到切實貫徹,實驗中心的教師和學生都能積極致力于將科研成果應用到實驗教學中去,完善了實驗教學體系。

(2) 在科研成果基礎上,開發有利于實驗教學的新穎設備,有利于激發學生的學習興趣,使他們在實驗中更加深入、全面地掌握理論知識,同時培養學生的創新能力。

(3) 在科研和實驗教學之間形成了互動,一方面,教師將科研成果轉化為實驗教學內容,另一方面, 教學過程也激發了教師的科研靈感。

5 結語

實驗教學方法是實驗教學的核心要素之一,只有與時俱進,不斷創新,才能有效激發學生學習的積極性,提升教學效果,提高教學質量[15-16]。粒子圖像測試技術是一門較為先進的光學圖像數據分析與處理技術,把此技術融入到船舶與海洋工程基本流體力學問題中,并應用于實驗教學,不僅豐富了研究手段、開闊了學生視野,也實現了不同學科間知識和技術的結合。