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

        2021-09-09 06:28:02郭春雨
        實驗室研究與探索 2021年8期
        關(guān)鍵詞:測流螺旋槳流場

        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;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節(jié)層面對引起宏觀現(xiàn)象的機理進行認知,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。

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