基于LDV的超高速循環(huán)水槽流場流速測量

耿浩涵，王宗龍，2，朱健申，鄒 旭，朱華倫

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.噴水推進技術重點實驗室，上海 200011）

0 引 言

循環(huán)水槽是開展船舶水動力學試驗所需的重要設備。在循環(huán)水槽中，待測船體被固定在試驗段，通過水泵推動水流在循環(huán)水槽中循環(huán)流動，由此形成船體與水流間的相對運動，從而測定船舶的水動力性能［1］。由于水流能通過水泵的推動在循環(huán)水槽中循環(huán)流動，因此可打破試驗時間的限制。通過試驗段上的透明觀察窗，結合流場測量設備，可方便地對水動力性能進行測定。可在水槽中布置流量計、流速計和水聽器等多種測量儀器實現(xiàn)對水動力性能的多目標、自動化綜合測量。由于循環(huán)水槽具有諸多不可替代的優(yōu)點，國內(nèi)外相關高校和科研機構紛紛建立了各自的循環(huán)水槽［2］，國內(nèi)外相關學者針對循環(huán)水槽及相關試驗開展了豐富的研究［3］。在國內(nèi)的研究中：湯忠谷等［4］對1／10 臥式模型水槽試驗段的水流情況進行了詳細的觀察和測試，在距離試驗段前端1／3 處的斷截面中心線位置測得了垂直方向的速度分布；ZHU等［5］采用數(shù)值方法和試驗驗證方法對循環(huán)水槽的水動力性能進行了深入研究，為水槽后續(xù)優(yōu)化奠定了基礎；夏君培等［6］在立式循環(huán)水槽試驗段分別對有抑波板和無抑波板下3 種流速的分布情況進行了測試，證明了有抑波板時的速度分布比無抑波板時的速度分布均勻；于昌利［7］采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究了導流片和彎管對水槽流場均勻性的影響；陳建平等［8］對CWC（Circulating Water Channel）高速自由液面循環(huán)水槽試驗段流場品質(zhì)進行了測量評估。在國外的研究中：VARGHESE 等［9］利用PIV（Particle Image Velocimetry）評估了循環(huán)水道的適用范圍；FELICE等［10］基于INSEAN循環(huán)水槽，利用PIV對螺旋槳旋轉角度下縱向平面內(nèi)的尾流進行了測量分析。目前國內(nèi)外有關超高速閉式循環(huán)水槽試驗段流場品質(zhì)的研究較少，缺乏相關試驗數(shù)據(jù)。

本文基于噴水推進技術重點實驗室的超高速閉式循環(huán)水槽，利用激光多普勒測速儀（Laser Doppler Velocimeter，LDV）對試驗段的流場流速進行測量，為水槽流場品質(zhì)評估和試驗研究提供測試數(shù)據(jù)支撐。

1 超高速循環(huán)水槽的構成及試驗能力

噴水推進技術重點實驗室采用的超高速循環(huán)水槽本體主要由試驗段、擴散段、收縮段、拐角段、輔助泵和軸流泵動力系統(tǒng)組構成（見圖1），在試驗段可形成0 ～10 m／s的常用試驗流速，試驗段流速最高可達12 m／s。超高速循環(huán)水槽部分設計參數(shù)及技術指標見表1。圖2 為超高速循環(huán)水槽試驗段示意圖，其兩側分別安裝8 塊有機玻璃觀測窗，便于進行流場測量，在試驗段可開展噴水推進裝置試驗、螺旋槳水動力試驗和水下航行體流場測試等試驗。

表1 超高速循環(huán)水槽部分設計參數(shù)及技術指標

圖1 超高速循環(huán)水槽示意圖

圖2 超高速循環(huán)水槽試驗段示意圖

2 超高速循環(huán)水槽試驗段軸向流速測量

2.1 試驗測量原理及測量系統(tǒng)

本文采用LDV對超高速循環(huán)水槽試驗段的軸向流場流速進行測量，LDV測量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信號處理器、激光器、發(fā)射／接收探頭和分光器構成，見圖3。當流體中的運動粒子的尺寸足夠小且跟隨性良好時，運動粒子的速度可代表流體的速度。在對流場流速進行測量時，LDV發(fā)射出2 支光學性質(zhì)完全一致的激光束并相交形成測量體；當運動微粒以速度Uy穿過控制體中的干涉條紋區(qū)時，會向空間任意方向散射明暗相間的光信號，這樣就會得到與運動微粒的速度呈正比的多普勒信號。根據(jù)采集到的多普勒頻移頻率與速度的關系式［11］便可求得運動粒子的速度，由此即可得到流場的流速。多普勒頻移頻率與速度的關系式為式（1）中：fD為多普勒頻移頻率；λ為激光波長；κ為光束的1／2 交角度；Uy為光束平面內(nèi)垂直于交角平分線方向的速度。

圖3 LDV測量系統(tǒng)及測量原理示意圖

2.2 試驗測量方案

在循環(huán)水槽試驗段建立直角坐標系uOv，選取3 個流速測量截面（測量截面Ⅰ、測量截面Ⅱ和測量截面Ⅲ），其軸向（u向）距離分別為2 100 mm、5 300 mm和8 500 mm，見圖4。根據(jù)標準［12］在測量截面上選取測量區(qū)域，由于循環(huán)水槽試驗段具有對稱性，實際選取的測量區(qū)域為矩形ABCD，在x方向上均勻選取8 個流速測量點，在z方向上均勻選取7 個流速測量點，在測量區(qū)域上形成8 ×7 的測量點陣列（點間距為100 mm）。通過三維坐標架移動LDV激光測量體對測量點陣列的軸向流速進行測量，每個流速測量點的測量時間為2 min，采集頻率為667 Hz。采用不均勻度Cv評估流場流速分布的均勻性，Cv的表達式［13］為

圖4 試驗段測量截面流速測量點陣列示意圖

式（2）中：S為測量點陣列流速的標準偏差；v 為測量點陣列流速的平均值；Cv表征流速相對變異的度量，其值越小，流場的均勻度越高。

試驗段來流的紊流度ε等于流速測量值標準差與平均值的比值，其表達式［14］為

式（3）中：Ui為單點軸向流速單次測量值，m／s；U為單點軸向流速測量平均值，m／s；m為測量次數(shù)。

在流速測量中，通過控制循環(huán)水槽軸流泵動力系統(tǒng)的轉速獲取試驗段中的8 種來流速度（3 m／s、4 m／s、5 m／s、6 m／s、7 m／s、8 m／s、9 m／s和10 m／s），來流速度與軸流泵轉速的標定關系式為

式（4）中：U為循環(huán)水槽試驗段來流速度，m／s；n為軸流泵轉速，r／min。

2.3 試驗測量裝置

測量試驗是在噴水推進技術重點實驗室超高速循環(huán)水槽中進行的，通過LDV對試驗段流場流速進行測量，測量裝置見圖5。在流場流速測量中，LDV的激光器發(fā)出具有高亮度、高方向性和波長單純的激光束，分光器將激光束分成1 對單色光束，利用激光探頭將成對的單色光束相交到流場的測量區(qū)域內(nèi)形成測量體。當流場中的粒子經(jīng)過控制體時，產(chǎn)生散射光，并被接收光路接收。光電轉換模塊將接收的光信號轉換成電信號，數(shù)字信號處理器對電信號進行處理，并將多普勒信號從噪聲中分離出來進行測量。FlowSizer分析處理軟件通過火線與數(shù)字信號處理器相連，通過軟件對數(shù)字信號進行處理之后得到流場的流速值。為確保流場流速的測量精度滿足要求，根據(jù)循環(huán)水槽的實際運行工況對LDV 軟件采樣參數(shù)進行設置，具體參數(shù)設置見表2。

表2 LDV參數(shù)設置

圖5 試驗段流速試驗測量裝置圖

3 試驗測量結果及分析

在8 種來流速度下，根據(jù)試驗測量方案，通過LDV測得截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測量區(qū)域的軸向流速分布，并計算出這3 個截面上測量區(qū)域軸向流速的均值、平均偏差、不均勻度Cv和測量點最大紊流度εmax，計算結果見表3。為便于分析，將表3 中的平均偏差和不均勻度Cv繪制成折線圖，結果見圖6 ～圖8。

圖6 截面Ⅰ上測量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

1）從圖6 ～圖8 中可看出，3 個截面上測量區(qū)域軸向流速的平均偏差均呈現(xiàn)出隨著流速的增大而增大的趨勢；由表3 可知，截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測量區(qū)域流速的平均偏差的最大值分別為0.023 2 m／s、0.023 8 m／s和0.029 8 m／s。

2）從圖6 中可看出，截面Ⅰ測量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較小，在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出略有上升的趨勢。

3）從圖7 中可看出，截面Ⅱ測量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較小，在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖7 截面Ⅱ上測量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

4）從圖8 中可看出，截面Ⅲ測量區(qū)域流速的不均勻度在流速為4 m／s和7 m／s時較大，均勻度整體波動相對明顯。

圖8 截面Ⅲ上測量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

5）由表3 可知：截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測量區(qū)域流速的不均勻度Cv的最大值分別為0.385 8%、0.621 3%和0.843 1%，均小于1.000 0%，符合水槽流場品質(zhì)對均勻度的要求；3 個測量截面的紊流度最大值均小于0.500 00%，測量結果符合設計指標的要求。

4 結 語

本文利用LDV，通過構建流場測量點陣列對超高速閉式循環(huán)水槽試驗段流場品質(zhì)進行測量評估。通過試驗測得試驗段3 個截面上的測量區(qū)域在8 種來流速度下的軸向流速分布，并計算分析流場流速的不均勻度和紊流度，主要得到以下結論：

1）截面Ⅰ和截面Ⅱ上測量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較小；截面Ⅰ上測量區(qū)域流速的不均勻度在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出上升的趨勢，截面Ⅱ上測量區(qū)域流速的不均勻度在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出下降的趨勢；相對于截面Ⅰ和截面Ⅱ上測量區(qū)域流速的不均勻度，截面Ⅲ上測量區(qū)域流速的不均勻度整體較大，且呈現(xiàn)出明顯的波動。

2）在試驗段8 m／s來流速度下，3 個流場截面測量區(qū)域的紊流度均小于0.5%，滿足技術指標的要求。在8 種來流速度下，截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ測量區(qū)域流場流速的不均勻度最大值分別為0.385 8%、0.621 3%和0.843 1%，均小于1.000 0%，符合循環(huán)水槽流場品質(zhì)設計要求。