基于TR-PIV技術(shù)的螺旋槳水動力實驗教學(xué)平臺設(shè)計

孫 聰， 徐 鵬， 韓 陽， 郭春雨， 王 超

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院船舶與海洋工程國家級實驗教學(xué)示范中心，哈爾濱150001）

0 引 言

實驗課程在各大高校培養(yǎng)創(chuàng)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(chuàng)新教育教學(xué)方法的方針，大力培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。大學(xué)不僅僅是傳道授業(yè)解惑之地，更是培養(yǎng)學(xué)生判斷事物能力、思考能力之處。教育部在《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中提出“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)”［3］，更加凸顯創(chuàng)新教育教學(xué)方法的重要性。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性是目前最棘手的問題。學(xué)校響應(yīng)國家號召，大力發(fā)展實驗教學(xué)，拓展新型實驗方法來培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和增長創(chuàng)新技能［4-7］。

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

1 粒子圖像測速技術(shù)簡介

粒子圖像測速技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種無接觸式、瞬時、全局的測量技術(shù)［8-9］。由于這些優(yōu)點，PIV技術(shù)迅速成為研究者的利器，是現(xiàn)代流體力學(xué)測量技術(shù)里程碑式突破［10］。PIV技術(shù)充分吸收了激光技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)、信號處理與分析技術(shù)和計算機技術(shù)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，PIV技術(shù)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(nèi)多個測點的二維或三維流速矢量，是目前實驗流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的流速測量技術(shù)［11］。根據(jù)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(jù)時間測量能力，可擴展到時間分辨粒子圖像測速技術(shù)（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(tǒng)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(jù)流場的具體流動選擇適宜的示蹤粒子和相機參數(shù)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(dāng)；反光性要求粒子能很好地反射激光。

圖1 PIV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)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(xué)設(shè)計

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

2.1 實驗?zāi)Ｐ团c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(shù)：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(shù)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(zhuǎn)速保持不變，轉(zhuǎn)速n＝600 r／min。通過改變流速來調(diào)節(jié)螺旋槳的進速系數(shù)，實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況表

2.2 實驗設(shè)備

實驗在三甲實驗室循環(huán)水槽中進行，如圖4所示，循環(huán)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(wěn)定流速范圍為0～3 m／s。

圖4 循環(huán)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(tǒng)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(huán)水槽觀察窗外側(cè)，如圖6所示。進行互相關(guān)分析時所采用參數(shù)如表2所示。

圖6 工作中的采集系統(tǒng)

表2 互相關(guān)分析參數(shù)設(shè)置

采用的相機（見圖7）型號為Photron FASTCAM Mini UX100，拍攝頻率設(shè)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(xù)激光器，輸出功率0～10 W可調(diào)，TEM00格式，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩(wěn)定度小于1%，發(fā)散角＜2 mrad，可TTL觸發(fā)，工作溫度0～35°，工作交流電壓220 V。

圖8 CW-10W 532nm連續(xù)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(zhǔn)備；

（2）連接螺旋槳水動力實驗裝置；

（3）在循環(huán)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(biāo)定；

（4）通過計算機調(diào)速器來調(diào)節(jié)循環(huán)水池的流速；

（5）待流速穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)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(guān)分析等操作，生成待測流場的速度信息；

（8）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.4 實驗結(jié)果

通過對原始數(shù)據(jù)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(xiàn)了螺旋槳周圍流場的速度變化以及螺旋槳工作時產(chǎn)生的尾渦情況，流動可視化使學(xué)生能夠很好地從微觀細(xì)節(jié)層面對引起宏觀現(xiàn)象的機理進行認(rèn)知，從而更加深刻理解專業(yè)知識，在枯燥繁雜的學(xué)習(xí)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖9 螺旋槳周圍流場的實驗結(jié)果

3 教學(xué)成效

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)多為驗證型實驗，僅展現(xiàn)出宏觀的力與力矩［5］，不能對流場的結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)進行觀測，大大限制學(xué)生的創(chuàng)新能力。引進先進的實驗測試技術(shù)、實驗理念、實驗設(shè)備，不僅能夠帶來傳統(tǒng)教學(xué)實驗上的變革，還能夠帶領(lǐng)學(xué)生了解本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域先進測試手段與技術(shù)。學(xué)生通過自己動手搭建實驗平臺，能夠鍛煉學(xué)生的動手能力、協(xié)作能力，也是從另一方面對學(xué)生掌握測試原理的檢驗。在實驗中學(xué)生獲得知識的同時亦能提高自身素質(zhì)，如數(shù)據(jù)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(xué)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(dǎo)學(xué)生完成多項科技創(chuàng)新作品［12-15］。

4 結(jié) 語

隨著國家大力發(fā)展創(chuàng)新教育教學(xué)方法，研究性實驗教學(xué)不可避免地成為一種新趨勢。本文在先前教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)先進的測量方法引入課堂，極大激發(fā)學(xué)生的積極性、創(chuàng)新性。學(xué)生通過對實驗現(xiàn)象的定性與定量觀測，深入理解實驗原理與流場結(jié)構(gòu)特征。同時，也促進了教學(xué)與科研相互融合，以教學(xué)促進科研，以科研成果服務(wù)教學(xué)，相輔相成。