三維PIV應用于船舶精細流場測試研究進展

李茂華，龔　杰

三維PIV應用于船舶精細流場測試研究進展

李茂華1，龔杰2

1中國人民解放軍63680部隊，江蘇無錫214000
2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001

精細流場作用現象和流動細節對解決船舶與海洋工程領域的疑難問題有重要影響，粒子圖像測速（PIV）技術實現了在同一瞬態時刻記錄大量空間點上的速度分布信息，可提供豐富的流場空間信息及流動特性。三維粒子圖像測速（SPIV）技術在國外已被成功用于研究水面艦船和潛艇在高海況下與船體大幅運動有關的復雜粘性現象及殼體大規模流體分離現象，取得了一定的研究成果；在國內，SPIV技術也已應用于船舶尾流場測量及艦船噪聲測量中，試驗結果能夠真實反映流場特征。未來SPIV試驗將與CFD方法相結合，向實船試驗研究方向發展。隨著計算機技術、激光技術、CCD性能的發展，多方位測量的SPIV系統將是未來重要的研究方向。關鍵詞：三維粒子圖像測速；精細流場；流動特性；綜述

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1214.019.html

期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：李茂華，龔杰.三維PIV應用于船舶精細流場測試研究進展［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：58-67.

LI Maohua，GONG Jie.Development of 3D-PIV applied on fine flow field testing of ships［J］.Chinese Journal of Ship

Research，2015，10（1）：58-67.

0　引言

粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry， PIV）是20世紀80年代發展起來的一種瞬態、多點、無接觸式的流體力學測速方法［1］。PIV技術克服了單點測速技術的局限性，實現了在同一瞬態時刻記錄大量空間點上的速度分布信息，可提供豐富的流場空間信息及流動特性。PIV技術可選擇粒子濃度使其成為較高成像密度模式［2］，在PIV技術實現過程中，由于其應用激光光源照亮流場待測區域，應用照相系統對待測流場區域進行圖像采集，在整個測試過程中所有測量裝置均對流場不產生擾動，故PIV技術具有較高的測量精度。

最先進的三維粒子圖像測速（簡稱SPIV或3D-PIV）系統采用立體數碼照相技術，即采用多臺CCD相機從不同方位記錄被照明流場的一個剖面，根據兩臺相機空間位置投影關系和視差，將兩臺相機的各二維坐標映射為空間一點的三維坐標，將兩臺相機的兩個二維位移場映射為空間一點的三維位移場，從而完成粒子空間位移場和速度場的重建。最后，通過事先設定的算法獲得流場的速度場和壓力場等。

國際船模試驗水池會議（ITTC）自第25屆大會開始專門成立了精細流場測量研究組（Detailed flow measurement）［3］，組織世界各國致力于流體力學基礎研究的專家、學者開展對此問題的深入研究。海洋中湍流、復雜流動、非定常流動對民用船舶航行性能以及經濟性能的影響，復雜海況和高海情引起的湍流、非定常流等耦合流動［4］對軍用艦船戰斗性能與生存能力的影響是相關領域專家學者一直研究并致力于解決的疑難問題。深入揭示相關問題的產生機理、精細流場作用現象和流動細節，對解決這些疑難問題具有重要意義。例如：潛艇周圍繞流場會對潛艇的水動力性能產生直接影響，獲得已知艇體形狀特征下的精確繞流場（速度場、壓力場和噪聲場）特性可為得出阻力小、噪聲低的最佳潛艇設計方案提供試驗依據；船體尾部流體的流動特性是研究船舶推進性能的重要因素，從流場細節著手，分析螺旋槳的尾流場特性是研究艦船推進性能和安靜性能的主要技術途徑之一。因此，三維PIV技術作為一種先進的流場測試手段就顯得意義重大。

1　國外研究進展

過去10年中，國外諸多研究機構和學者已針對水下SPIV設備進行了廣泛而深入的研究。2003年，INSEAN開發了第一個拖曳水池水下SPIV系統［4］，Felli和Di Felice等［5-6］詳細介紹了該套系統及其應用情況。隨后，很多ITTC組織成員均開展了水下SPIV系統的研究工作，美國IOWA大學、德國Potsdam造船研究所等［7］先后建成了各自的拖曳水池水下SPIV系統，形成了相應的試驗研究能力，取得了一系列成果。

國外SPIV技術應用較為廣泛和成熟的領域是船后螺旋槳的相關研究。Calcagno等［8］應用SPIV測量了五葉螺旋槳船舶模型在幾個橫剖面處的下游尾流場。Bull等［9］完成了兩個水面艦艇模型標稱伴流和尾流場的測量。同時，還應用激光多普勒測速儀（Laser Doppler Velocimetry，LDV）完成了對實船某一剖面螺旋槳進流的測量。Di Felice等［10］研究了在不同載荷條件下PIV識別螺旋槳附近主要流動結構的能力。Felli等［7］運用PIV和畢托耙測量了船用螺旋槳在不同進速系數下速度與進流波動壓力之間的鎖相相關性。Stella等［11］完成了“歐洲全尺寸流動研究和技術”（European full-scale flow research and technology）項目，該項目應用LDV完成船舶螺旋槳的進流速度測量，試驗對象包括2艘集裝箱船、1艘油輪、1艘訓練船和1艘挖泥船。Paik等［12］研究了從槳葉后緣到螺旋槳直徑范圍內的梢渦幾何。最近，Di Felice等［13］開展了將SPIV技術應用于螺旋槳葉梢和槳轂處漩渦演變過程的研究。

同時，還有部分研究是關于船后舵的相關內容研究。Anschau和Mach［14］利用SPIV技術研究了一艘水面艦船在定向漂變情況下其半平衡舵周圍的流場。Felli等［15］擴展了他們在2006年和2009年完成的工作，全面利用PIV和LDV測量了在自由航行狀態下和安裝在發動機后狀態下槳—舵系統中舵面的壓力。

此外，Wu和Miorini等［16-17］分別利用二維PIV技術和三維PIV技術研究了軸流式噴水推進泵旋轉管道處的流動形態結構。

近年來，SPIV技術被大量用于研究水面艦船和潛艇在高海況下與船體大幅運動有關的復雜粘性現象及殼體大規模流體分離現象。下文簡述國外進行的將PIV技術應用于船舶橫搖阻尼水動力特征研究和運用SPIV技術測量潛艇艇體周圍精細流場研究的進展。

1.1船舶橫搖阻尼水動力特征研究

1.1.1船模試驗研究

船舶橫搖誘導的流場流體動力特征復雜，為了解橫搖阻尼水動力特征，完善粘流橫搖模型，開展相關的精細流場測量工作十分必要。國外已經開展了相關研究工作。

2004年，INSEAN，IIHR和NSWCCD三家機構合作完成了橫搖狀態下復雜表面船舶粘性水動力特征試驗［18］。三家機構均選用加裝舭龍骨的DTMB 5415船模為研究對象。INSEAN負責完成不同航速下單自由度橫搖衰減的LDV測量，測試區域選在8個不同剖面；IIHR負責完成波形測量和PIV測量；NSWCCD負責完成PIV測量以及力和力矩的測量。圖1所示為橫搖阻尼水動力試驗裝置示意圖。他們最終得出了舭龍骨處流動細節的PIV試驗結果與CFD計算結果，并將二者進行對比，結果表明PIV試驗結果能夠真實反映舭龍骨處的流場流動細節，試驗結果具有可靠性。

圖1試驗裝置示意圖［18］Fig.1　Experimental setup［18］

圖2所示為舭龍骨處橫搖狀態下的流動細節結果。其中，圖2（a）為CFD計算結果，圖2（b）為PIV試驗結果。對比兩圖可以看出，PIV試驗用于船舶橫搖阻尼水動力特征研究是可行的，其測量精度符合設計要求，試驗結果能夠比較真實地反映流場的流動特征。

圖2　舭龍骨處橫搖狀態下的流動細節對比［19］Fig.2　Comparison of flow details at bilge keel in rolling state between CFD and PIV［19］

1.1.2實船試驗研究

在船模試驗基礎上，實船SPIV試驗也在進行。Atsavapranee等［19］在一艘意大利船舶Nave Bettica號上運用PIV技術進行了舭龍骨處粘性流場的實船試驗研究，這是第一次將PIV技術運用到實船試驗研究中。為避免影響試驗操作，PIV設備的安裝選定在干船塢期（圖3）。但實船試驗面臨的問題很多，對試驗設計、試驗條件控制、試驗PIV設備的制造安裝等要求較高，故試驗結果精度不是十分理想。

圖3Nave Bettica號上的PIV裝置［19］Fig.3　PIV setup on Nave Bettica［19］

圖4所示為Nave Bettica號在12.8 kn航速下舭龍骨處靜水橫搖衰減試驗的PIV試驗結果。

圖4　PIV試驗結果［19］Fig.4　Results of PIV measurement［19］

1.2潛艇艇體周圍流場測量

潛艇在水下做勻速運動時，周圍的水介質與艇體產生相對運動而形成繞艇體流動的流場。潛艇周圍的繞流場不僅會對潛艇水動力性能產生直接影響，而且還會對潛艇隱身性能產生影響。因此，開展潛艇幾何形狀與繞流場特性的關聯研究，尋求能在已知艇體形狀特征下精確預報繞流場（速度場、壓力場和噪聲場）特性的數值計算方法十分重要。

1.2.1試驗設計及測量

Felli［5］等對某潛艇艇體周圍流場進行了PIV測量。試驗設計的思路是將常規三維PIV系統置于密封水下雷體內，在水下完成PIV的照明和拍攝。水下PIV系統設計必須滿足常規PIV試驗對應的速度、深度和測試面積等尺度要求，對測試流場干擾較小，既適用于不同水下PIV測試剖面的測量，又適用于拖曳水池中相對惡劣的試驗環境。

圖5所示為國外某水池的三維水下PIV設備圖，圖6所示為對某潛艇艇體模型的周圍流場進行測量的試驗圖。

圖5　三維水下PIV設備圖Fig.5　3D-PIV underwater equipment

圖6　測量某潛艇模型周圍流場試驗圖Fig.6　Measuring flow field around a submarine model

1.2.2試驗結果

圖7所示為數據經過處理后得到的在潛艇表面x/L=0.5，0.625，0.75和1.05這4個不同橫剖面處的流場矢量圖。

該試驗驗證了在拖曳水池中運用三維PIV技術對水下模型周圍流場進行高分辨率測量的可行性。針對模型周圍流場測量的驗證性試驗表明，該系統面內速度測試誤差在可接受的范圍之內。

隨著需求越來越多，將PIV系統應用于潛艇周圍流場的測量會越來越普遍，PIV技術對周圍流場的測量也會隨著改進而越來越精確，進而走向成熟。

圖7　不同剖面處流場矢量圖Fig.7　Velocity field vector graph for different cross-sections

2　國內研究進展

國內在PIV技術的使用方面起步較晚，研究內容的范圍和深度不夠，試驗設備與國外相比存在較大差距，但是近10年來也取得了不少成果。

國內目前的研究成果大多是基于二維PIV設備所取得，三維PIV用于水動力學研究還比較少。

在螺旋槳尾流場測量方面，張軍等［20］研究了導管螺旋槳內流場的SPIV測量，首次將PIV技術應用到了螺旋槳流場測試中；張國平等［21］進行了螺旋槳尾流場PIV與LDV對比測試研究，首次實現了PIV測試方法在大型設備和螺旋槳尾流場測試中的應用；李廣年等［22-23］進行了大型空泡水筒中螺旋槳尾流場2D-PIV測量研究以及PIV技術在旋轉流場測試中的應用研究。

在其他流場測量方面，趙維義［24］研究了應用SPIV測量艦船空氣尾流場，獲得了艦船空氣尾流場特性；代欽和趙莉莉［25］研究了近自由表面翼型尾流速度場的PIV測量及POD分析；張強［26］研究了PIV技術在實驗室模擬冰下流場測試中的應用。

張國平等［27］介紹了國內第一套隨車式SPIV水下系統，其使用效果接近國外同類設備水平。下文將以某大學船模水池實驗室水下SPIV設備為例，介紹其在KCS船尾部伴流和仿生凹凸鰭體伴流場測量中的應用，展示國內研究的最新進展。

2.1KCS船尾部伴流測量

船體尾部流體的流動特性是研究船舶推進性能的重要因素。船體周圍的流場是三維流動的，流場介質存在粘性，因此船舶繞流的分析十分復雜，這種復雜性集中體現在船舶尾部流動和伴流場中［28］。而在船用螺旋槳設計中，船體尾部伴流場分布的精確預報更是螺旋槳成功設計的前提［29］。因此，在船舶設計階段，準確預報、獲得船舶尾部伴流場信息至關重要。

2.1.1試驗對象與內容

試驗對象選定為韓國船舶與海洋工程研究所（KRISO）設計建造的3 600 TEU集裝箱船（KCS），模型如圖8所示，模型的詳細參數如表1所示。試驗地點為某大學船模水池實驗室。

圖8　KCS船舶模型Fig.8　KCS model

表1　KCS船舶模型主要參數Tab.1Main parameters of the KCS model

試驗內容包含3個部分：

1）測試在不同速度下槳盤面處的伴流場；

2）測試在不同吃水下槳盤面處的伴流場；

3）測試在不同縱傾下槳盤面處的伴流場。

2.1.2試驗設計與測量

PIV測試船舶艉流場的一般步驟為：

1）完成三維水下PIV設備連接并調試，保證各子系統工作正常；

2）對船艉槳盤面處位置進行標定，使得圖片的像素點信息與實際距離形成對應關系；

3）向流場播撒示蹤粒子并以脈沖片光源照明；

4）以相機拍攝等方式記錄多次曝光的流場粒子圖像；

5）在配套處理軟件中逐點處理PIV底片或CCD記錄的圖像，對所得流場粒子圖像進行分析處理，提取位移場，除以兩次曝光時間間隔，獲得速度矢量場，并獲得流場速度分布。

圖9所示為試驗過程中的PIV系統，圖10所示為船模艉部模型及船艉的粒子圖像。

圖9　PIV系統試驗圖Fig.9　PIV system during the measurement process

圖10　船艉模型和船艉粒子圖像Fig.10　Stern model and stern particle image

2.1.3試驗結果

在設計吃水、縱傾為0.1°的情況下，測得當實船速度Vs依次為22，23，24和25 kn時槳盤面處的伴流場，通過計算可得出各計算模型船體艉部螺旋槳所在平面處的軸向伴流等值線圖（如圖11所示，其中圓形實線表示槳盤面的所在位置）。從圖11中可以看出，隨著航速的增加，船尾伴流均勻性會下降，槳軸處誘導速度會隨之提高。

圖11不同航速下槳盤面處的伴流場Fig.11　Wake fields under different Vs

圖12所示為不同吃水下槳盤面處的伴流場。從圖12（a）和圖12（b）的對比來看，隨著吃水的增加，在航速穩定情況下伴流分數增加，這與船舶表面的濕表面積增加有關。

圖12不同吃水下槳盤面處的伴流場Fig.12　Wake fields under different draughts

圖13所示為不同縱傾下槳盤面處的伴流場。從圖13（a）和圖13（b）的對比來看，隨著縱傾的增加，船艉部下沉，軸向伴流出現紊亂情況，但是軸向伴流的集中程度提高，因此可以預測，在某一縱傾值下尾部伴流能提高螺旋槳的推進效率。

圖13　不同縱傾下槳盤面處的伴流場Fig.13　Wake fields under different trims

總之，應用PIV進行船舶尾部伴流場測量的試驗結果良好，PIV試驗是一種直接獲得船舶精細繞流場的優良手段。

2.2仿生凹凸鰭體伴流場測量

2.2.1試驗對象與內容

試驗對象選定NACA0020翼型為基礎翼型，并以仿生凹凸鰭為改進翼型，模型如圖14所示，模型的詳細參數如表2所示。

圖14　PIV試驗模型Fig.14　PIV test model for common fin and bionic bump fin

表2　鰭模型詳細參數Tab.2Detail parameters of fin models

試驗內容設定如下：在平靜水面、航速為1 m/s條件下，測量普通鰭與仿生凹凸鰭在迎流剖面和鰭中剖面攻角分別為10°和30°時的伴流場。

2.2.2試驗設計與測量

PIV測量通過3個步驟完成：

1）播撒足夠的示蹤粒子，形成粒子濃度均勻的粒子場來代替流場；

2）激光發射器發射激光照射示蹤粒子，被照射粒子作為瞬時流場流體觀測質點，同時2個不同位置的相機進行雙幀拍攝生成一對互相關圖像；

3）應用Dynamic Studio軟件對多幅雙相機照片進行去噪、矢量生成、去除矢量誤配并合成鰭體伴流場。

圖15所示為試驗過程中的仿生凹凸鰭，圖16所示為SPIV系統采集到的粒子圖像。

圖15　仿生凹凸鰭試驗圖Fig.15　Bionic bump fin under test

圖16　SPIV系統采集到的粒子圖像Fig.16　Particle image collected by SPIV system

2.2.3試驗結果

在平靜水面、航速為1 m/s條件下，普通鰭在30°攻角下迎流面流場測量和30°攻角下尾流場測量的結果圖17所示。

從圖17（a）中可以看出，右側淺藍色部分為此次測量中-1.0 m/s的水流流速，此時迎流面導致大范圍的加速流場，因翼面作用使得流速增加，水流水平方向有向外移動的趨勢。從圖17（b）中可以清晰地看出，在背流面形成了特別大的速度回流，可以確定此處產生了大型滯留渦，這是由于鰭背面大范圍的失速導致，此時邊界層分離嚴重。

圖17　普通鰭在30°攻角下的迎流面流場和尾流場Fig.17　Incident flow field vs.wake flow field for common fin under 30°angle of attack

在平靜水面、航速為1 m/s條件下，仿生凹凸鰭在30°攻角下迎流面流場測量和30°攻角下尾流場測量的結果如圖18所示。

從圖18（a）中可以看出，因為凹凸結節的影響，使得近凸結節流速減緩，靠近凹槽的位置產生了一對反向渦，這對渦隨著向后運動過程會逐漸合并變大。從圖18（b）中可以看出，在背流面也形成了部分回流，但是與普通鰭相比回流渦范圍明顯縮小，此處的滯留渦形式更不穩定，滯留渦表面的流線與外界有明顯的流動交互。

圖18　仿生凹凸鰭在30°攻角下的迎流面流場和尾流場Fig.18　Incident flow field vs.wake flow field for bionic bump fin under 30°angle of attack

3　未來發展方向

3.1試驗與計算流體力學方法相結合

從國內外的經驗來看，近年來計算流體力學（CFD）的飛速發展已經使其成為一種優良的輔助測試手段并被廣泛采用。它能幫助我們更好地模擬和了解船舶精細流場的流動特性，其計算成本低，可重復性強，還能獲取精細流場中任何一處的流動細節。

CFD軟件已經較為成熟，若能合理進行計算模型的網格劃分、邊界條件處理和物理模型選擇，數值計算結果就可以作為PIV測量船舶精細流場的參考來解決目前存在的爭議性問題，還可以對目前無法使用試驗手段進行的研究做出前瞻性的預測。充分利用CFD的優勢，并將其與SPIV試驗相結合，將使SPIV的發展提升到新的層次。

3.2拓展應用范圍

SPIV有案可查的應用范圍大多局限于實驗室船舶精細流場研究方面，關于實船SPIV試驗的內容較少，國內尚未開展實船SPIV試驗研究，原因在于實船試驗的難度大、成本高、試驗精度不夠。

實船試驗面臨的問題是船模試驗中不會碰到的，具體問題如下：

1）試驗設計。如何使試驗區域均布示蹤粒子，如何使實船達到預定的設計狀態，如航速、橫搖角度、螺旋槳轉速等，都需要經過精心設計。

2）不確定因素影響。實船試驗數據的有效性受人為因素的影響較大，不同的試驗人員對同一艘船在同一時刻得到的試驗數據都會有差異［30］。此外，試驗區域的海況條件不可控，這也增加了試驗的難度。

但是，實船試驗得出的結論是最具有實用價值的第一手資料，其珍貴程度遠非模型試驗能夠相比。同時，由于船模尺度效應和實驗室條件的理想化，在將試驗結論真正轉換到實船上時，其可靠性會下降。因此，盡管開展實船SPIV試驗難度大、困難多，但是將SPIV的應用范圍拓展至實船試驗是未來非常重要的發展方向。

3.3研制全方位、高精度的SPIV設備

從實際使用情況來看，現階段SPIV設備的使用局限非常明顯。通常，選定流場的測量面很豐富，例如側向安排激光雷體能夠進行船體表面的橫剖面測量，雷體安裝在尾部可以進行船體縱剖面的測量，偏移的雷體布置能夠進行流線區域測量等。

然而，根據水池實際條件定制的SPIV設備常常為了儀器安裝的精度和設備可靠性，會對很多方面進行定向設計，從而導致設備只能進行一個方向的布置安裝，因此能夠進行的試驗內容很有限，這就嚴重限制了PIV設備功能的拓展。

同時，隨著未來SPIV設備硬件的不斷革新，CCD相機性能會不斷提高，隨著計算機技術、激光技術的不斷發展，SPIV設備的處理算法將不斷優化，這些都會較大提升設備的精度。

如何使PIV設備一體化、靈活化和人性化，研制多方位測量的高精度SPIV系統，將是未來PIV設備制造方面一個比較重要的發展方向。

4　結語

上述國內外SPIV的應用實例說明SPIV技術和設備已經發展到一定的成熟度，運用SPIV設備對船舶精細流場的測量已經從理論研究發展到大量實踐階段。除本文列舉的部分內容外，它還能應用到層流邊界層和湍流邊界層測量、沿海海底邊界層測量、海洋內波測量等諸多流體力學領域。

SPIV技術在國外發展起步早、基礎好、設備精度高，研究范圍涵蓋了從學術研究到工程應用的諸多方面，獲得的成果處于世界領先地位；國內對PIV技術的研究近幾年也是日新月異，學者們既注重PIV技術的實際運用，又注重PIV技術在學科交叉領域的應用研究，這對于迅速提升在學術界內的話語權具有重要作用。

未來SPIV技術的發展需要與計算流體力學方法相結合，以便更加高效地完成試驗研究；需要注重SPIV設備的適用性，為研制多用途、全方位、高精度的SPIV系統不懈努力；SPIV實船研究雖然難度大，但仍然是未來SPIV試驗發展的重要方向。

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［責任編輯：易基圣］

Development of 3D-PIV Applied on Fine Flow Field Testing of Ships

LI Maohua1，GONG Jie2
1 The 63680thUnit of PLA，Wuxi 214000，China
2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The phenomenon of fine flow field and the flow details have great influences on the field of ship and ocean engineering.The PIV technology successfully records the velocity distribution of multiple space points at the same moment，which provides abundant spatial information of the flow field and the flow char?acteristics.Currently，SPIV has found its application internationally in the investigation of massive cross-flow separation in the case of ship and submarine maneuvering as well as the complex viscous phe?nomena associated with large-amplitude ship motions in high sea states.Domestically，researchers have ap?plied SPIV into the research of the measurement of wake field and the noise field of ships，whose results truthfully reflect the flow characteristics.As SPIV trials are bound to combine with the CFD method in the future，the experimental study of full-scale ships shall also be promoted.It can be safely concluded that with the developments of computer technology，laser technology，and CCD performance，the research and development of the multidimensional measurement SPIV system will become a key research topic in marine engineering.

Stereoscopic Particle Image Velocimetry（SPIV）；fine flow field；flow characteristics；overview

U661.31+3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.009

2014-06-22

網絡出版時間：2015-1-28 12:14

國家自然科學基金資助項目（41176074，51209048）；教育部博士點基金資助項目（20102304120026）

李茂華，男，1981生，工程師。研究方向：艦船總體與性能研究

龔杰（通信作者），男，1991年生，碩士生。研究方向：船舶推進與節能，流體力學實驗技術。E?mail：gongjie09@foxmail.com