基于TR-PIV技術的螺旋槳水動力實驗教學平臺設計

孫 聰， 徐 鵬， 韓 陽， 郭春雨， 王 超

（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

實驗課程在各大高校培養創新性人才方面起著舉足輕重的作用［1-2］。近年來，國家進一步加大對研究性實驗課程的支持力度，深度落實創新教育教學方法的方針，大力培養創新性人才。大學不僅僅是傳道授業解惑之地，更是培養學生判斷事物能力、思考能力之處。教育部在《關于全面提高高等教育質量的若干意見》中提出“創新教育教學方法，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學”［3］，更加凸顯創新教育教學方法的重要性。如何激發學生學習積極性是目前最棘手的問題。學校響應國家號召，大力發展實驗教學，拓展新型實驗方法來培養創新性人才，激發學生的創新意識、培養創新思維和增長創新技能［4-7］。

學生在螺旋槳敞水實驗中僅僅測得相關推力、扭矩等物理量，對螺旋槳的工作狀態以及周圍流場無法產生定性認知，阻礙對螺旋槳抽象理論知識的理解。為此，在基于傳統螺旋槳敞水實驗基礎上，引入先進激光測試技術——粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術，對螺旋槳處在不同轉速和進速系數下進行測量，獲得螺旋槳周圍速度場、渦量場等信息，使學生能夠通過實驗現象來更好地深入理解理論知識。

1 粒子圖像測速技術簡介

粒子圖像測速技術是20世紀80年代發展起來的一種無接觸式、瞬時、全局的測量技術［8-9］。由于這些優點，PIV技術迅速成為研究者的利器，是現代流體力學測量技術里程碑式突破［10］。PIV技術充分吸收了激光技術、數字圖像技術、信號處理與分析技術和計算機技術，隨著現代科技的發展，PIV技術正逐漸走向成熟化、普遍化。PIV可以同時測得二維平面或三維立體空間內多個測點的二維或三維流速矢量，是目前實驗流體力學領域應用最為廣泛的流速測量技術［11］。根據空間測量能力，PIV可分為2D-2C PIV（2 Dimensional-2 Component PIV）、2D-3C PIV和3D-3C PIV，根據時間測量能力，可擴展到時間分辨粒子圖像測速技術（Time-resolved Particle Image Velocimetry，TR-PIV）。本文所采用的就是2維TR-PIV。

如圖1所示，PIV系統主要由高速相機、激光器和同步器組成。進行PIV流場實驗時，需根據流場的具體流動選擇適宜的示蹤粒子和相機參數等。示蹤粒子要求具有足夠好的跟隨性和反光性。跟隨性是指示蹤粒子能夠跟隨流體運動，這就需粒子的密度與流體的密度相當；反光性要求粒子能很好地反射激光。

圖1 PIV系統結構示意圖

通過相機拍攝得到待測流場圖像信息之后，對圖像進行分析處理，確定相鄰兩幀圖像之間的粒子位移，根據相鄰兩幀圖像的時間間隔，得到粒子的運動速度信息，即待測流場的速度信息。測量原理如圖2所示。

圖2 PIV工作原理示意圖

2 實驗教學設計

以螺旋槳在不同進速系數下實驗為例，來介紹基于TR-PIV技術的螺旋槳水動力實驗教學平臺。

2.1 實驗模型與工況

采用KP505槳作為本次實驗螺旋槳模型，如圖3所示，主要參數：直徑（D）為0.20 m，轂徑比為0.180，螺距比（0.7R）為0.997，盤面比為0.800，槳葉數為5。

圖3 KP505螺旋槳模型

本次實驗僅針對前進工況且螺旋槳轉速保持不變，轉速n＝600 r／min。通過改變流速來調節螺旋槳的進速系數，實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況表

2.2 實驗設備

實驗在三甲實驗室循環水槽中進行，如圖4所示，循環水槽實驗段為矩形截面，尺寸為1.7 m（寬）×1.5 m（高），有效測量段長度為8 m，流速由計算機控制，穩定流速范圍為0～3 m／s。

圖4 循環水槽

螺旋槳通過敞水箱與敞水動力儀相連接，如圖5所示。

圖5 螺旋槳與敞水動力儀

采集系統由高速相機、激光器以及后處理軟件組成，通過自搭建方式布置在循環水槽觀察窗外側，如圖6所示。進行互相關分析時所采用參數如表2所示。

圖6 工作中的采集系統

表2 互相關分析參數設置

采用的相機（見圖7）型號為Photron FASTCAM Mini UX100，拍攝頻率設置為5 kHz，分辨率為1 280 pixel×1 000 pixel，鏡頭物距為500 mm。

圖7 高速相機

激光器（見圖8）為CW-10W 532nm連續激光器，輸出功率0～10 W可調，TEM00格式，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩定度小于1%，發散角＜2 mrad，可TTL觸發，工作溫度0～35°，工作交流電壓220 V。

圖8 CW-10W 532nm連續激光器

示蹤粒子采用聚酰胺顆粒，密度在1.03～1.05 g／cm3之間，平均粒徑為50 μm，具有良好的跟隨性和反光性。

2.3 實驗流程

實驗主要有以下幾個步驟：

（1）螺旋槳水動力實驗前期準備；

（2）連接螺旋槳水動力實驗裝置；

（3）在循環水池中布散示蹤粒子，且保證粒子在水中均勻布散形成粒子濃度適中的待測流場，并對待測流場進行標定；

（4）通過計算機調速器來調節循環水池的流速；

（5）待流速穩定時，調節螺旋槳的轉速；

（6）激光片光照射布散在水中的示蹤粒子，同時用高速相機進行拍攝，得到PIV原始圖片；

（7）對PIV原始圖片進行圖像去噪、互相關分析等操作，生成待測流場的速度信息；

（8）分析數據，得出結論。

2.4 實驗結果

通過對原始數據的處理分析，得到螺旋槳流場的矢量圖、速度圖和渦量圖。

圖9展現了螺旋槳周圍流場的速度變化以及螺旋槳工作時產生的尾渦情況，流動可視化使學生能夠很好地從微觀細節層面對引起宏觀現象的機理進行認知，從而更加深刻理解專業知識，在枯燥繁雜的學習中激發學生學習興趣。

圖9 螺旋槳周圍流場的實驗結果

3 教學成效

傳統的實驗教學多為驗證型實驗，僅展現出宏觀的力與力矩［5］，不能對流場的結構與細節進行觀測，大大限制學生的創新能力。引進先進的實驗測試技術、實驗理念、實驗設備，不僅能夠帶來傳統教學實驗上的變革，還能夠帶領學生了解本專業相關領域先進測試手段與技術。學生通過自己動手搭建實驗平臺，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。在實驗中學生獲得知識的同時亦能提高自身素質，如數據分析能力等。在本實驗室采用此教育方式以來取得了不錯的效果，學生實驗興趣得到提升，各方面能力也顯著增加，并將其成果化，指導學生完成多項科技創新作品［12-15］。

4 結 語

隨著國家大力發展創新教育教學方法，研究性實驗教學不可避免地成為一種新趨勢。本文在先前教學經驗的基礎上，將專業領域內先進的測量方法引入課堂，極大激發學生的積極性、創新性。學生通過對實驗現象的定性與定量觀測，深入理解實驗原理與流場結構特征。同時，也促進了教學與科研相互融合，以教學促進科研，以科研成果服務教學，相輔相成。