基于粒子圖像測速技術的潛艇尾流場實驗教學

趙大剛，徐 鵬，韓 陽，郭春雨，孫 聰，周廣利

（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，哈爾濱 150001）

0 引言

各大高校將實驗課程視為培養創新性人才必不可少的重要環節，逐漸加大實驗課程投入力度［1-2］，開發新穎實驗教學方法，提高教學質量［3-4］。而枯燥乏味的流體力學課程亟待引進新穎實驗設備與實驗方法來激發學生的學習興趣、提高教學質量。如何將新穎實驗方法與課堂實驗教學相結合，是目前流體力學教學中重要問題［5-7］。2019年課題組嘗試將流場測量技術引進實驗教學［8］，并建立了以先進粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）為基礎測量手段的學生實驗教學方案，成功探索了流體力學課程新穎實驗教學方法，并取得不錯的教學成效。

1 PIV技術

PIV技術誕生以來，由于其無接觸、瞬時、全局的測量優點［9］，迅速成為科研人員手中的利器［10-11］。不僅能夠測量流場的速度信息，還能夠通過速度場派生出更多物理場信息，如壓力場等。近年來，隨著PIV技術的普及和快速發展，PIV技術成為目前流體力學領域應用最為廣泛的測量手段［12］。

根據空間測量能力PIV可分為二維和三維PIV，根據時間分辨能力進一步分為TR-PIV。PIV系統一般由高速相機、激光器、同步器和采集系統構成。通過在待測流場中布撒跟隨性、反光性良好的示蹤粒子，利用激光片光照射待測截面，由高速相機捕捉示蹤粒子的運動信息，最后通過分析軟件得到示蹤粒子的速度信息，即為待測流場的速度信息。

2 實驗教學設計

在課題組先前的嘗試基礎上，進一步將PIV流場測量技術應用于實驗教學中，以潛艇水動力實驗為例簡要介紹PIV測試技術在實驗教學中的應用。

2.1 實驗模型與工況

實驗采用的潛艇模型為標準SUBOFF模型等比例縮放而成，長度為1 m，由聚乳酸（PLA）材料經3D打印制成。潛艇模型表面打磨光滑，制作防水涂層，為防止在測量過程中激光強反光，對模型進行噴涂處理，艇體首部L／20處加裝激流裝置以加快艇體表面的層流轉淚，潛艇模型如圖1所示，詳細參數見表1，實驗工況見表2。

圖1 SUBOFF模型

表1 SUBOFF模型主要參數

表2 實驗工況表

2.2 實驗設備

實驗在校船模水池實驗室進行，拖曳水池如圖2所示，其基本參數為：

拖曳水池長×寬×深＝108 m×7 m×3.5 m；

拖車穩速范圍0.1～6.5 m／s；精度0.1%。

圖2 拖曳水池實物圖

實驗所用的PIV測量系統為丹麥Dantec Dynamics公司專門為我校設計的一款2D-3C級別的水下SPIV系統，布置形式為隨車式且放置于拖車右側。該套系統包括一個浸沒水中的雷體、兩個翼型支架、脈沖式激光器、同步器、圖像采集裝置、粒子播撒裝置等。SPIV系統如圖3所示，PIV性能指標如表3所示。

圖3 SPIV系統

表3 PIV性能指標

通過固定支架將潛艇模型固連在拖車測橋上，固定方式為艇尾固定，如圖4所示。PIV互相關分析參數如表4所示。

圖4 實驗現場

表4 互相關分析相關參數

2.3 實驗流程

實驗主要有以下幾個步驟（見圖5）：

（1）潛艇水動力實驗前期準備；

（2）連接潛艇水動力實驗裝置；

（3）完成系統標定，并播撒足量示蹤粒子；

（4）激光照射待測流場，示蹤粒子在激光片光的照射下形成粒子散光；

（5）同時利用2臺高速相機捕捉待測流場中示蹤粒子位置信息，生成一對互相關圖像；

（6）對多幅粒子圖像對進行降噪、矢量生成和去矢量誤配，合成最后尾流場。

圖5 流場測速實驗流程

2.4 實驗結果

通過掩膜、互相關分析等操作，得到螺旋槳盤面流場瞬態速度圖，將一系列的瞬時速度云圖平均化處理得到的時均伴流場軸向速度云圖，如圖6所示。

圖6 4D潛深下實驗結果

由圖6可見，本實驗PIV測試大致描繪出了潛艇槳盤面處流場的幾項重要特征。首先，速度云圖呈現出沿槳軸徑向速度值連續增加的圓圈式形狀；其次，4個十字舵角度最外側的速度等值線向外凸出，對應速度等值線0.8～0.95表現出了十字舵后端由于速度削減效應產生的低速區的存在；另外，內側的速度等值線朝向槳軸中心凹陷，對應速度等值線0.4～0.7。這是由于主附體交接部的馬蹄渦作用造成的動量交換，使得中心位置動量增加，兩側動量降低，從而形成近似V型的速度等值線結構。在徑向上表現為馬蹄渦將高動量的流體卷攜至徑向內部，低動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影響，隨著Fr數增加即Re增加，流場結構特征基本一致。

3 教學成效

船舶與海洋工程專業課程中船舶快速性實驗、船舶耐波性實驗等課程均為驗證性實驗，學生僅得到宏觀層面的力與力矩，無法從微觀層面理解產生力與力矩的流體力學本質，這大大限制學生的創新能力，給教學質量的提高帶來困難。同時，船舶領域在短短的幾十年時間里發展出一系列先進測試技術，學生不僅需掌握傳統測試方法，更應該了解本專業領域先進測量方法，以適應領域需求。將PIV流場測試技術引進課堂，不僅僅是傳統教學的提升，更是時代潮流所趨。

在實驗中，學生們了解PIV測試技術的原理與組成的同時，還能夠鍛煉學生的動手能力、協作能力，也是從另一方面對學生掌握測試原理的檢驗。從微觀流場結構方面對宏觀層面的力與力矩產生更加深刻的認知，加深了學生對所學原理的理解，鞏固所學知識。

教師在教學的同時能夠激發自己的科研靈感，不斷創造出新的實驗方法和技術來支撐關鍵科學問題的研究與探索。同時，科研成果的產出進一步轉化為實驗教學，提高教學質量。這種研學結合新模式形成一種良性循環，在擴大科研成果產出的同時，能夠帶領學生對本專業領域先進測試技術有基本了解，新穎的實驗方法與設備更能夠激發學生的學習興趣，提高教學質量。

自本課題組采用此教學方式以來，取得了不錯的教學成果，得到學校教學層面的認可。學生學習興趣得到提升，同時還能夠將教學實驗成果化，學生在指導下創造性地完成多項科研成果產出［13-16］。

4 結語

實驗課程已經成為高校培養人才中重要的環節之一，采用新穎的實驗設備與方法更是現代教學的新趨勢。課題組將粒子圖像測速技術引進實驗教學中，與時俱進、不斷創新，開辟出一條科研、教學相結合的教學方案，極大地激發了學生的積極性、創造性，在提高教學質量的同時也促進了科研成果的產出。

·名人名言·

科學的真理不應該在古代圣人的蒙著灰塵的書上去找，而應該在實驗中和以實驗為基礎的理論中去找。

——伽利