耿浩涵，王宗龍，2，朱健申，鄒 旭，朱華倫

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011）

0 引 言

循環(huán)水槽是開展船舶水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)所需的重要設(shè)備。在循環(huán)水槽中，待測(cè)船體被固定在試驗(yàn)段，通過(guò)水泵推動(dòng)水流在循環(huán)水槽中循環(huán)流動(dòng)，由此形成船體與水流間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)定船舶的水動(dòng)力性能［1］。由于水流能通過(guò)水泵的推動(dòng)在循環(huán)水槽中循環(huán)流動(dòng)，因此可打破試驗(yàn)時(shí)間的限制。通過(guò)試驗(yàn)段上的透明觀察窗，結(jié)合流場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，可方便地對(duì)水動(dòng)力性能進(jìn)行測(cè)定?？稍谒壑胁贾昧髁坑?jì)、流速計(jì)和水聽器等多種測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)對(duì)水動(dòng)力性能的多目標(biāo)、自動(dòng)化綜合測(cè)量。由于循環(huán)水槽具有諸多不可替代的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛建立了各自的循環(huán)水槽［2］，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)循環(huán)水槽及相關(guān)試驗(yàn)開展了豐富的研究［3］。在國(guó)內(nèi)的研究中：湯忠谷等［4］對(duì)1／10 臥式模型水槽試驗(yàn)段的水流情況進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和測(cè)試，在距離試驗(yàn)段前端1／3 處的斷截面中心線位置測(cè)得了垂直方向的速度分布；ZHU等［5］采用數(shù)值方法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法對(duì)循環(huán)水槽的水動(dòng)力性能進(jìn)行了深入研究，為水槽后續(xù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)；夏君培等［6］在立式循環(huán)水槽試驗(yàn)段分別對(duì)有抑波板和無(wú)抑波板下3 種流速的分布情況進(jìn)行了測(cè)試，證明了有抑波板時(shí)的速度分布比無(wú)抑波板時(shí)的速度分布均勻；于昌利［7］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究了導(dǎo)流片和彎管對(duì)水槽流場(chǎng)均勻性的影響；陳建平等［8］對(duì)CWC（Circulating Water Channel）高速自由液面循環(huán)水槽試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行了測(cè)量評(píng)估。在國(guó)外的研究中：VARGHESE 等［9］利用PIV（Particle Image Velocimetry）評(píng)估了循環(huán)水道的適用范圍；FELICE等［10］基于INSEAN循環(huán)水槽，利用PIV對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)角度下縱向平面內(nèi)的尾流進(jìn)行了測(cè)量分析。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)超高速閉式循環(huán)水槽試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的研究較少，缺乏相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文基于噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的超高速閉式循環(huán)水槽，利用激光多普勒測(cè)速儀（Laser Doppler Velocimeter，LDV）對(duì)試驗(yàn)段的流場(chǎng)流速進(jìn)行測(cè)量，為水槽流場(chǎng)品質(zhì)評(píng)估和試驗(yàn)研究提供測(cè)試數(shù)據(jù)支撐。

1 超高速循環(huán)水槽的構(gòu)成及試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用的超高速循環(huán)水槽本體主要由試驗(yàn)段、擴(kuò)散段、收縮段、拐角段、輔助泵和軸流泵動(dòng)力系統(tǒng)組構(gòu)成（見圖1），在試驗(yàn)段可形成0 ～10 m／s的常用試驗(yàn)流速，試驗(yàn)段流速最高可達(dá)12 m／s。超高速循環(huán)水槽部分設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)見表1。圖2 為超高速循環(huán)水槽試驗(yàn)段示意圖，其兩側(cè)分別安裝8 塊有機(jī)玻璃觀測(cè)窗，便于進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，在試驗(yàn)段可開展噴水推進(jìn)裝置試驗(yàn)、螺旋槳水動(dòng)力試驗(yàn)和水下航行體流場(chǎng)測(cè)試等試驗(yàn)。

表1 超高速循環(huán)水槽部分設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

圖1 超高速循環(huán)水槽示意圖

圖2 超高速循環(huán)水槽試驗(yàn)段示意圖

2 超高速循環(huán)水槽試驗(yàn)段軸向流速測(cè)量

2.1 試驗(yàn)測(cè)量原理及測(cè)量系統(tǒng)

本文采用LDV對(duì)超高速循環(huán)水槽試驗(yàn)段的軸向流場(chǎng)流速進(jìn)行測(cè)量，LDV測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信號(hào)處理器、激光器、發(fā)射／接收探頭和分光器構(gòu)成，見圖3。當(dāng)流體中的運(yùn)動(dòng)粒子的尺寸足夠小且跟隨性良好時(shí)，運(yùn)動(dòng)粒子的速度可代表流體的速度。在對(duì)流場(chǎng)流速進(jìn)行測(cè)量時(shí)，LDV發(fā)射出2 支光學(xué)性質(zhì)完全一致的激光束并相交形成測(cè)量體；當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒以速度Uy穿過(guò)控制體中的干涉條紋區(qū)時(shí)，會(huì)向空間任意方向散射明暗相間的光信號(hào)，這樣就會(huì)得到與運(yùn)動(dòng)微粒的速度呈正比的多普勒信號(hào)。根據(jù)采集到的多普勒頻移頻率與速度的關(guān)系式［11］便可求得運(yùn)動(dòng)粒子的速度，由此即可得到流場(chǎng)的流速。多普勒頻移頻率與速度的關(guān)系式為式（1）中：fD為多普勒頻移頻率；λ為激光波長(zhǎng)；κ為光束的1／2 交角度；Uy為光束平面內(nèi)垂直于交角平分線方向的速度。

圖3 LDV測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量原理示意圖

2.2 試驗(yàn)測(cè)量方案

在循環(huán)水槽試驗(yàn)段建立直角坐標(biāo)系uOv，選取3 個(gè)流速測(cè)量截面（測(cè)量截面Ⅰ、測(cè)量截面Ⅱ和測(cè)量截面Ⅲ），其軸向（u向）距離分別為2 100 mm、5 300 mm和8 500 mm，見圖4。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［12］在測(cè)量截面上選取測(cè)量區(qū)域，由于循環(huán)水槽試驗(yàn)段具有對(duì)稱性，實(shí)際選取的測(cè)量區(qū)域?yàn)榫匦蜛BCD，在x方向上均勻選取8 個(gè)流速測(cè)量點(diǎn)，在z方向上均勻選取7 個(gè)流速測(cè)量點(diǎn)，在測(cè)量區(qū)域上形成8 ×7 的測(cè)量點(diǎn)陣列（點(diǎn)間距為100 mm）。通過(guò)三維坐標(biāo)架移動(dòng)LDV激光測(cè)量體對(duì)測(cè)量點(diǎn)陣列的軸向流速進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)流速測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間為2 min，采集頻率為667 Hz。采用不均勻度Cv評(píng)估流場(chǎng)流速分布的均勻性，Cv的表達(dá)式［13］為

圖4 試驗(yàn)段測(cè)量截面流速測(cè)量點(diǎn)陣列示意圖

式（2）中：S為測(cè)量點(diǎn)陣列流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差；v 為測(cè)量點(diǎn)陣列流速的平均值；Cv表征流速相對(duì)變異的度量，其值越小，流場(chǎng)的均勻度越高。

試驗(yàn)段來(lái)流的紊流度ε等于流速測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，其表達(dá)式［14］為

式（3）中：Ui為單點(diǎn)軸向流速單次測(cè)量值，m／s；U為單點(diǎn)軸向流速測(cè)量平均值，m／s；m為測(cè)量次數(shù)。

在流速測(cè)量中，通過(guò)控制循環(huán)水槽軸流泵動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速獲取試驗(yàn)段中的8 種來(lái)流速度（3 m／s、4 m／s、5 m／s、6 m／s、7 m／s、8 m／s、9 m／s和10 m／s），來(lái)流速度與軸流泵轉(zhuǎn)速的標(biāo)定關(guān)系式為

式（4）中：U為循環(huán)水槽試驗(yàn)段來(lái)流速度，m／s；n為軸流泵轉(zhuǎn)速，r／min。

2.3 試驗(yàn)測(cè)量裝置

測(cè)量試驗(yàn)是在噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超高速循環(huán)水槽中進(jìn)行的，通過(guò)LDV對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)流速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量裝置見圖5。在流場(chǎng)流速測(cè)量中，LDV的激光器發(fā)出具有高亮度、高方向性和波長(zhǎng)單純的激光束，分光器將激光束分成1 對(duì)單色光束，利用激光探頭將成對(duì)的單色光束相交到流場(chǎng)的測(cè)量區(qū)域內(nèi)形成測(cè)量體。當(dāng)流場(chǎng)中的粒子經(jīng)過(guò)控制體時(shí)，產(chǎn)生散射光，并被接收光路接收。光電轉(zhuǎn)換模塊將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，并將多普勒信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)進(jìn)行測(cè)量。FlowSizer分析處理軟件通過(guò)火線與數(shù)字信號(hào)處理器相連，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理之后得到流場(chǎng)的流速值。為確保流場(chǎng)流速的測(cè)量精度滿足要求，根據(jù)循環(huán)水槽的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)LDV 軟件采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 LDV參數(shù)設(shè)置

圖5 試驗(yàn)段流速試驗(yàn)測(cè)量裝置圖

3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及分析

在8 種來(lái)流速度下，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量方案，通過(guò)LDV測(cè)得截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測(cè)量區(qū)域的軸向流速分布，并計(jì)算出這3 個(gè)截面上測(cè)量區(qū)域軸向流速的均值、平均偏差、不均勻度Cv和測(cè)量點(diǎn)最大紊流度εmax，計(jì)算結(jié)果見表3。為便于分析，將表3 中的平均偏差和不均勻度Cv繪制成折線圖，結(jié)果見圖6 ～圖8。

圖6 截面Ⅰ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

1）從圖6 ～圖8 中可看出，3 個(gè)截面上測(cè)量區(qū)域軸向流速的平均偏差均呈現(xiàn)出隨著流速的增大而增大的趨勢(shì)；由表3 可知，截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測(cè)量區(qū)域流速的平均偏差的最大值分別為0.023 2 m／s、0.023 8 m／s和0.029 8 m／s。

2）從圖6 中可看出，截面Ⅰ測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較小，在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出略有上升的趨勢(shì)。

3）從圖7 中可看出，截面Ⅱ測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較小，在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

圖7 截面Ⅱ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

4）從圖8 中可看出，截面Ⅲ測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在流速為4 m／s和7 m／s時(shí)較大，均勻度整體波動(dòng)相對(duì)明顯。

圖8 截面Ⅲ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度與平均偏差折線圖

5）由表3 可知：截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度Cv的最大值分別為0.385 8%、0.621 3%和0.843 1%，均小于1.000 0%，符合水槽流場(chǎng)品質(zhì)對(duì)均勻度的要求；3 個(gè)測(cè)量截面的紊流度最大值均小于0.500 00%，測(cè)量結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用LDV，通過(guò)構(gòu)建流場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)陣列對(duì)超高速閉式循環(huán)水槽試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)段3 個(gè)截面上的測(cè)量區(qū)域在8 種來(lái)流速度下的軸向流速分布，并計(jì)算分析流場(chǎng)流速的不均勻度和紊流度，主要得到以下結(jié)論：

1）截面Ⅰ和截面Ⅱ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在低速區(qū)（3 ～4 m／s）較大，在高速區(qū)（8 ～10 m／s）較??；截面Ⅰ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，截面Ⅱ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度在中速區(qū)（5 ～7 m／s）呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；相對(duì)于截面Ⅰ和截面Ⅱ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度，截面Ⅲ上測(cè)量區(qū)域流速的不均勻度整體較大，且呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。

2）在試驗(yàn)段8 m／s來(lái)流速度下，3 個(gè)流場(chǎng)截面測(cè)量區(qū)域的紊流度均小于0.5%，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。在8 種來(lái)流速度下，截面Ⅰ、截面Ⅱ和截面Ⅲ測(cè)量區(qū)域流場(chǎng)流速的不均勻度最大值分別為0.385 8%、0.621 3%和0.843 1%，均小于1.000 0%，符合循環(huán)水槽流場(chǎng)品質(zhì)設(shè)計(jì)要求。