激光診斷測(cè)試技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與探索

韓 陽(yáng)， 徐 鵬， 郭春雨， 王 超， 孫 聰

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng)新發(fā)展基地，山東青島 266000）

0 引 言

國(guó)家逐漸重視創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)課程改革正在各大高校如火如荼開(kāi)展［1-3］。在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)課程改革的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該結(jié)合學(xué)校、學(xué)生本土實(shí)際情況，做出相應(yīng)調(diào)整，不能一味地照搬照抄［4］。如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生在課堂上的自主性和積極性，是目前需解決的難題。教育部在《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中指出，“創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)”［5］，給目前的課程改革指明方向。加大對(duì)學(xué)生自主探究、討論和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂上的自主性和積極性，是目前最棘手的問(wèn)題。學(xué)校在響應(yīng)國(guó)家號(hào)召的基礎(chǔ)上，充分調(diào)研學(xué)生出勤情況、興趣課程及教師意見(jiàn)，積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，引進(jìn)新型試驗(yàn)技術(shù)手段，拓展新型實(shí)驗(yàn)方法來(lái)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)待探究能力、解決問(wèn)題的能力［6-10］。

傳統(tǒng)流體力學(xué)晦澀難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課堂出勤率以及學(xué)習(xí)成績(jī)與其他課程相比具有明顯的下滑。本文將激光診斷測(cè)試技術(shù)引入流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生探究問(wèn)題、動(dòng)手能力的培養(yǎng)，自課程改革以來(lái)，取得不錯(cuò)成效。

1 粒子圖像測(cè)速技術(shù)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）是基于光學(xué)測(cè)量的一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，可以獲得測(cè)量截面內(nèi)粒子的位移信息，進(jìn)而得到兩個(gè)速度分量。采用多臺(tái)相機(jī)，可以獲得一個(gè)截面內(nèi)或一個(gè)測(cè)量空間內(nèi)的所有速度分量信息［11-12］。PIV 具有無(wú)接觸、瞬態(tài)、全局的測(cè)量有點(diǎn)，是研究流場(chǎng)特征推薦使用的測(cè)試技術(shù)［13］。

在PIV中，通過(guò)測(cè)量粒子在兩個(gè)激光脈沖之間的運(yùn)動(dòng)，從待測(cè)區(qū)域中查詢(xún)窗口中得到速度矢量信息：

在待測(cè)區(qū)域內(nèi)，利用激光片光照亮示蹤粒子，相機(jī)鏡頭將待測(cè)區(qū)域成像到高速相機(jī)的傳感器陣列上。相機(jī)傳感器能夠在單獨(dú)的圖像幀中捕捉每一個(gè)光脈沖。一旦兩個(gè)光脈沖序列被記錄下來(lái)，圖像就被分成小的部分，稱(chēng)為查詢(xún)窗口。每個(gè)圖像幀的I1和I2查詢(xún)窗口之間進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。相關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)峰值，確定粒子平均位移Δx，通過(guò)亞像素插值精確測(cè)量位移信息，進(jìn)而根據(jù)兩脈沖之間的時(shí)間間隔獲得速度場(chǎng)信息。在CCD相機(jī)捕獲的兩幀圖像上，對(duì)每個(gè)詢(xún)問(wèn)區(qū)域重復(fù)互相關(guān)計(jì)算，得到整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的速度矢量圖［14］。

如圖1 所示為PIV 原理示意圖，最簡(jiǎn)單的PIV 系統(tǒng)主要由高速相機(jī)、激光器和同步器組成。

圖1 PIV原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

以船艏入水實(shí)驗(yàn)為例，展示激光診斷技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以期為相關(guān)課程及學(xué)者提供教學(xué)改革思路。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工況

采用簡(jiǎn)化的二維船艏為本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D2 所示，實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

圖2 簡(jiǎn)化的二維船艏模型

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

物體入水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3 所示，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。試驗(yàn)裝置由鋁型材框架、下落滑軌和透明水箱構(gòu)成。透明水箱由亞克力玻璃制成，選取透明材質(zhì)便于高速相機(jī)拍攝流場(chǎng)中示蹤粒子的信息。水箱坐落于鋁型材框架上，底端與地面留有0.8 m距離，便于布置激光器。試驗(yàn)時(shí)水箱中水深0.3 m，水箱上端設(shè)有兩根相互平行且垂直于水平面的滑軌，滑軌長(zhǎng)0.8 m，滑軌中間設(shè)置有電磁裝置，利用通電開(kāi)關(guān)控制物體下落。試驗(yàn)時(shí)將下落物體通過(guò)電磁效應(yīng)固定在下落滑軌上，關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)，下落物體在沒(méi)有磁力的作用下開(kāi)始做自由落體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)高速相機(jī)捕捉入水瞬時(shí)的流場(chǎng)特征。

圖3 入水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖4 為工作中的激光診斷系統(tǒng)，所采用的高速相機(jī)型號(hào)為NAC Memrecam HX-6 高速CMOS 相機(jī)，分辨率為1 280 pixel×1 000 pixel，采集幀率為4 kHz，鏡頭為尼康50 mm f1.4 大光圈鏡頭。

圖4 工作中的激光診斷系統(tǒng)

激光器為一臺(tái)波長(zhǎng)532 nm的10 W Nd：YAG連續(xù)激光器，輸出功率0 ～10 W可調(diào)，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩(wěn)定度小于1%（見(jiàn)圖5）。

圖5 連續(xù)激光器

選取由Dantec 公司制造的空心玻璃微珠作為本次研究的示蹤粒子，平均顆粒直徑50 μm，密度1.1 g／cm3，折射率1.52，具有良好的反光性和跟隨性，試驗(yàn)分析中的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 互相關(guān)分析參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）船艏入水實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備，如搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，安裝電磁設(shè)備，透明水箱注水等；

（2）連接高速相機(jī)與激光器并調(diào)試相關(guān)參數(shù)，如調(diào)整焦距、光圈、激光強(qiáng)度等；

（3）在透明水箱中布撒示蹤粒子，粒子濃度適中，且均勻分布在待測(cè)流場(chǎng)中，并對(duì)待測(cè)流場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定；

（4）激光片光照射布撒在水中的示蹤粒子，控制電磁開(kāi)關(guān)，使船艏模型做自由落體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制高速相機(jī)開(kāi)始采集；

（5）對(duì)采集得到的原始圖像進(jìn)行圖像去噪、互相關(guān)分析等操作，進(jìn)一步通過(guò)軟件分析得到待測(cè)流場(chǎng)中的速度信息；

（6）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 為高速相機(jī)采集得到的原始數(shù)據(jù)，可以看出，船艏模型與水體、氣相與液相具有明顯的分界線(xiàn)，且產(chǎn)生堆積區(qū)域與射流。在進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)，只計(jì)算液相區(qū)域，這里的流場(chǎng)是我們更加關(guān)注的。

圖6 高速相機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)

圖7 為不同下落時(shí)刻流線(xiàn)分布，流線(xiàn)能夠很好地給出流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠形象地展示液體的流動(dòng)方向。

圖8 為不同下落時(shí)刻流場(chǎng)信息。不同時(shí)刻下的流場(chǎng)最大速度均出現(xiàn)在堆積區(qū)域，并形成沿船艏壁面的射流。流體受到船艏模型的排擠作用，成散射狀向外發(fā)散。在下落到20 ms時(shí)，由于船艏內(nèi)凹壁面的影響，出現(xiàn)空腔。空腔處速度降低，將原本連續(xù)的速度等值線(xiàn)分成了上下兩部分。

3 教學(xué)成效

將激光診斷技術(shù)引進(jìn)流體力學(xué)課堂中，使得原本晦澀難懂的力學(xué)課程變得生機(jī)活力。改變?cè)袀鹘y(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，變?yōu)樘剿餍浴l(fā)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、解決問(wèn)題能力。從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，構(gòu)建問(wèn)題簡(jiǎn)化模型，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將傳統(tǒng)試驗(yàn)中的力與力矩改變?yōu)檎故靖嗟牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)。自從實(shí)驗(yàn)改革實(shí)施以來(lái)，取得不錯(cuò)成效，力學(xué)課程中學(xué)生的出勤率明顯提高，伴隨而來(lái)的便是成績(jī)的提升。啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式的教學(xué)方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，形成了學(xué)生解決問(wèn)題的思維方式，培養(yǎng)了創(chuàng)新性人才。同時(shí)，學(xué)生在科創(chuàng)比賽以及科研論文等工作中均取得優(yōu)異成績(jī)［15-18］。

4 結(jié) 語(yǔ)

用人單位更加注重創(chuàng)新性人才的選拔，各大高校也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才［19］。我校依托船舶與海洋工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，對(duì)原本枯燥乏味課程進(jìn)行改革，在增加學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，亦能夠提高教師的教學(xué)水平，將科研與教學(xué)相結(jié)合，探索出一條產(chǎn)-學(xué)-研三位一體的教學(xué)之路。