趙大剛，徐 鵬，韓 陽，郭春雨，孫 聰，周廣利

（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

各大高校將實驗課程視為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才必不可少的重要環(huán)節(jié)，逐漸加大實驗課程投入力度［1-2］，開發(fā)新穎實驗教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量［3-4］。而枯燥乏味的流體力學(xué)課程亟待引進(jìn)新穎實驗設(shè)備與實驗方法來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量。如何將新穎實驗方法與課堂實驗教學(xué)相結(jié)合，是目前流體力學(xué)教學(xué)中重要問題［5-7］。2019年課題組嘗試將流場測量技術(shù)引進(jìn)實驗教學(xué)［8］，并建立了以先進(jìn)粒子圖像測速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）為基礎(chǔ)測量手段的學(xué)生實驗教學(xué)方案，成功探索了流體力學(xué)課程新穎實驗教學(xué)方法，并取得不錯的教學(xué)成效。

1 PIV技術(shù)

PIV技術(shù)誕生以來，由于其無接觸、瞬時、全局的測量優(yōu)點［9］，迅速成為科研人員手中的利器［10-11］。不僅能夠測量流場的速度信息，還能夠通過速度場派生出更多物理場信息，如壓力場等。近年來，隨著PIV技術(shù)的普及和快速發(fā)展，PIV技術(shù)成為目前流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的測量手段［12］。

根據(jù)空間測量能力PIV可分為二維和三維PIV，根據(jù)時間分辨能力進(jìn)一步分為TR-PIV。PIV系統(tǒng)一般由高速相機(jī)、激光器、同步器和采集系統(tǒng)構(gòu)成。通過在待測流場中布撒跟隨性、反光性良好的示蹤粒子，利用激光片光照射待測截面，由高速相機(jī)捕捉示蹤粒子的運動信息，最后通過分析軟件得到示蹤粒子的速度信息，即為待測流場的速度信息。

2 實驗教學(xué)設(shè)計

在課題組先前的嘗試基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將PIV流場測量技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)中，以潛艇水動力實驗為例簡要介紹PIV測試技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 實驗?zāi)Ｐ团c工況

實驗采用的潛艇模型為標(biāo)準(zhǔn)SUBOFF模型等比例縮放而成，長度為1 m，由聚乳酸（PLA）材料經(jīng)3D打印制成。潛艇模型表面打磨光滑，制作防水涂層，為防止在測量過程中激光強(qiáng)反光，對模型進(jìn)行噴涂處理，艇體首部L／20處加裝激流裝置以加快艇體表面的層流轉(zhuǎn)淚，潛艇模型如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)見表1，實驗工況見表2。

圖1 SUBOFF模型

表1 SUBOFF模型主要參數(shù)

表2 實驗工況表

2.2 實驗設(shè)備

實驗在校船模水池實驗室進(jìn)行，拖曳水池如圖2所示，其基本參數(shù)為：

拖曳水池長×寬×深＝108 m×7 m×3.5 m；

拖車穩(wěn)速范圍0.1～6.5 m／s；精度0.1%。

圖2 拖曳水池實物圖

實驗所用的PIV測量系統(tǒng)為丹麥Dantec Dynamics公司專門為我校設(shè)計的一款2D-3C級別的水下SPIV系統(tǒng)，布置形式為隨車式且放置于拖車右側(cè)。該套系統(tǒng)包括一個浸沒水中的雷體、兩個翼型支架、脈沖式激光器、同步器、圖像采集裝置、粒子播撒裝置等。SPIV系統(tǒng)如圖3所示，PIV性能指標(biāo)如表3所示。

圖3 SPIV系統(tǒng)

表3 PIV性能指標(biāo)

通過固定支架將潛艇模型固連在拖車測橋上，固定方式為艇尾固定，如圖4所示。PIV互相關(guān)分析參數(shù)如表4所示。

圖4 實驗現(xiàn)場

表4 互相關(guān)分析相關(guān)參數(shù)

2.3 實驗流程

實驗主要有以下幾個步驟（見圖5）：

（1）潛艇水動力實驗前期準(zhǔn)備；

（2）連接潛艇水動力實驗裝置；

（3）完成系統(tǒng)標(biāo)定，并播撒足量示蹤粒子；

（4）激光照射待測流場，示蹤粒子在激光片光的照射下形成粒子散光；

（5）同時利用2臺高速相機(jī)捕捉待測流場中示蹤粒子位置信息，生成一對互相關(guān)圖像；

（6）對多幅粒子圖像對進(jìn)行降噪、矢量生成和去矢量誤配，合成最后尾流場。

圖5 流場測速實驗流程

2.4 實驗結(jié)果

通過掩膜、互相關(guān)分析等操作，得到螺旋槳盤面流場瞬態(tài)速度圖，將一系列的瞬時速度云圖平均化處理得到的時均伴流場軸向速度云圖，如圖6所示。

圖6 4D潛深下實驗結(jié)果

由圖6可見，本實驗PIV測試大致描繪出了潛艇槳盤面處流場的幾項重要特征。首先，速度云圖呈現(xiàn)出沿槳軸徑向速度值連續(xù)增加的圓圈式形狀；其次，4個十字舵角度最外側(cè)的速度等值線向外凸出，對應(yīng)速度等值線0.8～0.95表現(xiàn)出了十字舵后端由于速度削減效應(yīng)產(chǎn)生的低速區(qū)的存在；另外，內(nèi)側(cè)的速度等值線朝向槳軸中心凹陷，對應(yīng)速度等值線0.4～0.7。這是由于主附體交接部的馬蹄渦作用造成的動量交換，使得中心位置動量增加，兩側(cè)動量降低，從而形成近似V型的速度等值線結(jié)構(gòu)。在徑向上表現(xiàn)為馬蹄渦將高動量的流體卷攜至徑向內(nèi)部，低動量的流體卷攜至徑向外部。大潛深工況下，航速的變化代表雷諾數(shù)影響，隨著Fr數(shù)增加即Re增加，流場結(jié)構(gòu)特征基本一致。

3 教學(xué)成效

船舶與海洋工程專業(yè)課程中船舶快速性實驗、船舶耐波性實驗等課程均為驗證性實驗，學(xué)生僅得到宏觀層面的力與力矩，無法從微觀層面理解產(chǎn)生力與力矩的流體力學(xué)本質(zhì)，這大大限制學(xué)生的創(chuàng)新能力，給教學(xué)質(zhì)量的提高帶來困難。同時，船舶領(lǐng)域在短短的幾十年時間里發(fā)展出一系列先進(jìn)測試技術(shù)，學(xué)生不僅需掌握傳統(tǒng)測試方法，更應(yīng)該了解本專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)測量方法，以適應(yīng)領(lǐng)域需求。將PIV流場測試技術(shù)引進(jìn)課堂，不僅僅是傳統(tǒng)教學(xué)的提升，更是時代潮流所趨。

在實驗中，學(xué)生們了解PIV測試技術(shù)的原理與組成的同時，還能夠鍛煉學(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。從微觀流場結(jié)構(gòu)方面對宏觀層面的力與力矩產(chǎn)生更加深刻的認(rèn)知，加深了學(xué)生對所學(xué)原理的理解，鞏固所學(xué)知識。

教師在教學(xué)的同時能夠激發(fā)自己的科研靈感，不斷創(chuàng)造出新的實驗方法和技術(shù)來支撐關(guān)鍵科學(xué)問題的研究與探索。同時，科研成果的產(chǎn)出進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。這種研學(xué)結(jié)合新模式形成一種良性循環(huán)，在擴(kuò)大科研成果產(chǎn)出的同時，能夠帶領(lǐng)學(xué)生對本專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)測試技術(shù)有基本了解，新穎的實驗方法與設(shè)備更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

自本課題組采用此教學(xué)方式以來，取得了不錯的教學(xué)成果，得到學(xué)校教學(xué)層面的認(rèn)可。學(xué)生學(xué)習(xí)興趣得到提升，同時還能夠?qū)⒔虒W(xué)實驗成果化，學(xué)生在指導(dǎo)下創(chuàng)造性地完成多項科研成果產(chǎn)出［13-16］。

4 結(jié)語

實驗課程已經(jīng)成為高校培養(yǎng)人才中重要的環(huán)節(jié)之一，采用新穎的實驗設(shè)備與方法更是現(xiàn)代教學(xué)的新趨勢。課題組將粒子圖像測速技術(shù)引進(jìn)實驗教學(xué)中，與時俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新，開辟出一條科研、教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方案，極大地激發(fā)了學(xué)生的積極性、創(chuàng)造性，在提高教學(xué)質(zhì)量的同時也促進(jìn)了科研成果的產(chǎn)出。

·名人名言·

科學(xué)的真理不應(yīng)該在古代圣人的蒙著灰塵的書上去找，而應(yīng)該在實驗中和以實驗為基礎(chǔ)的理論中去找。

——伽利