孫 聰, 徐 鵬, 韓 陽(yáng), 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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,哈爾濱150001)
實(shí)驗(yàn)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(lái),國(guó)家進(jìn)一步加大對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)課程的支持力度,深度落實(shí)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(jiàn)》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(wèn)題。學(xué)校響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,大力發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),拓展新型實(shí)驗(yàn)方法來(lái)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和增長(zhǎng)創(chuàng)新技能[4-7]。
學(xué)生在螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)中僅僅測(cè)得相關(guān)推力、扭矩等物理量,對(duì)螺旋槳的工作狀態(tài)以及周圍流場(chǎng)無(wú)法產(chǎn)生定性認(rèn)知,阻礙對(duì)螺旋槳抽象理論知識(shí)的理解。為此,在基于傳統(tǒng)螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,引入先進(jìn)激光測(cè)試技術(shù)——粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術(shù),對(duì)螺旋槳處在不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)速系數(shù)下進(jìn)行測(cè)量,獲得螺旋槳周圍速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等信息,使學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)更好地深入理解理論知識(shí)。
粒子圖像測(cè)速技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)接觸式、瞬時(shí)、全局的測(cè)量技術(shù)[8-9]。由于這些優(yōu)點(diǎn),PIV技術(shù)迅速成為研究者的利器,是現(xiàn)代流體力學(xué)測(cè)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(hào)處理與分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(shí)測(cè)得二維平面或三維立體空間內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的二維或三維流速矢量,是目前實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的流速測(cè)量技術(shù)[11]。根據(jù)空間測(cè)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(shí)間測(cè)量能力,可擴(kuò)展到時(shí)間分辨粒子圖像測(cè)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(jī)、激光器和同步器組成。進(jìn)行PIV流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí),需根據(jù)流場(chǎng)的具體流動(dòng)選擇適宜的示蹤粒子和相機(jī)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(yùn)動(dòng),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(guò)相機(jī)拍攝得到待測(cè)流場(chǎng)圖像信息之后,對(duì)圖像進(jìn)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(shí)間間隔,得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度信息,即待測(cè)流場(chǎng)的速度信息。測(cè)量原理如圖2所示。
圖2 PIV工作原理示意圖
以螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下實(shí)驗(yàn)為例,來(lái)介紹基于TR-PIV技術(shù)的螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。
采用KP505槳作為本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)僅針對(duì)前進(jìn)工況且螺旋槳轉(zhuǎn)速保持不變,轉(zhuǎn)速n=600 r/min。通過(guò)改變流速來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳的進(jìn)速系數(shù),實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)工況表
實(shí)驗(yàn)在三甲實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽中進(jìn)行,如圖4所示,循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)段為矩形截面,尺寸為1.7 m(寬)×1.5 m(高),有效測(cè)量段長(zhǎng)度為8 m,流速由計(jì)算機(jī)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(guò)敞水箱與敞水動(dòng)力儀相連接,如圖5所示。
圖5 螺旋槳與敞水動(dòng)力儀
采集系統(tǒng)由高速相機(jī)、激光器以及后處理軟件組成,通過(guò)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(jìn)行互相關(guān)分析時(shí)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(jī)(見(jiàn)圖7)型號(hào)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(jī)
激光器(見(jiàn)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。
實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)步驟:
(1)螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備;
(2)連接螺旋槳水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(cè)流場(chǎng),并對(duì)待測(cè)流場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定;
(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水池的流速;
(5)待流速穩(wěn)定時(shí),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(shí)用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝,得到PIV原始圖片;
(7)對(duì)PIV原始圖片進(jìn)行圖像去噪、互相關(guān)分析等操作,生成待測(cè)流場(chǎng)的速度信息;
(8)分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論。
通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理分析,得到螺旋槳流場(chǎng)的矢量圖、速度圖和渦量圖。
圖9展現(xiàn)了螺旋槳周圍流場(chǎng)的速度變化以及螺旋槳工作時(shí)產(chǎn)生的尾渦情況,流動(dòng)可視化使學(xué)生能夠很好地從微觀細(xì)節(jié)層面對(duì)引起宏觀現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行認(rèn)知,從而更加深刻理解專業(yè)知識(shí),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(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),僅展現(xiàn)出宏觀的力與力矩[5],不能對(duì)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)進(jìn)行觀測(cè),大大限制學(xué)生的創(chuàng)新能力。引進(jìn)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、實(shí)驗(yàn)理念、實(shí)驗(yàn)設(shè)備,不僅能夠帶來(lái)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)測(cè)試手段與技術(shù)。學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力,也是從另一方面對(duì)學(xué)生掌握測(cè)試原理的檢驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生獲得知識(shí)的同時(shí)亦能提高自身素質(zhì),如數(shù)據(jù)分析能力等。在本實(shí)驗(yàn)室采用此教育方式以來(lái)取得了不錯(cuò)的效果,學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(xiàng)科技創(chuàng)新作品[12-15]。
隨著國(guó)家大力發(fā)展創(chuàng)新教育教學(xué)方法,研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可避免地成為一種新趨勢(shì)。本文在先前教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)的測(cè)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性與定量觀測(cè),深入理解實(shí)驗(yàn)原理與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。同時(shí),也促進(jìn)了教學(xué)與科研相互融合,以教學(xué)促進(jìn)科研,以科研成果服務(wù)教學(xué),相輔相成。