韓 陽， 徐 鵬， 郭春雨， 王 超， 孫 聰

（1.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；2.哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng)新發(fā)展基地，山東青島 266000）

0 引 言

國家逐漸重視創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，實驗課程改革正在各大高校如火如荼開展［1-3］。在借鑒國內(nèi)外相關(guān)課程改革的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該結(jié)合學(xué)校、學(xué)生本土實際情況，做出相應(yīng)調(diào)整，不能一味地照搬照抄［4］。如何充分調(diào)動學(xué)生的動手能力，加強學(xué)生在課堂上的自主性和積極性，是目前需解決的難題。教育部在《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》中指出，“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)”［5］，給目前的課程改革指明方向。加大對學(xué)生自主探究、討論和解決問題能力的培養(yǎng)，充分調(diào)動學(xué)生在課堂上的自主性和積極性，是目前最棘手的問題。學(xué)校在響應(yīng)國家號召的基礎(chǔ)上，充分調(diào)研學(xué)生出勤情況、興趣課程及教師意見，積極開展實驗教學(xué)改革，引進新型試驗技術(shù)手段，拓展新型實驗方法來培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，培養(yǎng)學(xué)生對待探究能力、解決問題的能力［6-10］。

傳統(tǒng)流體力學(xué)晦澀難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課堂出勤率以及學(xué)習(xí)成績與其他課程相比具有明顯的下滑。本文將激光診斷測試技術(shù)引入流體力學(xué)實驗課程中，加強對學(xué)生探究問題、動手能力的培養(yǎng)，自課程改革以來，取得不錯成效。

1 粒子圖像測速技術(shù)

粒子圖像測速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，PIV）是基于光學(xué)測量的一種非接觸式測量技術(shù)，可以獲得測量截面內(nèi)粒子的位移信息，進而得到兩個速度分量。采用多臺相機，可以獲得一個截面內(nèi)或一個測量空間內(nèi)的所有速度分量信息［11-12］。PIV 具有無接觸、瞬態(tài)、全局的測量有點，是研究流場特征推薦使用的測試技術(shù)［13］。

在PIV中，通過測量粒子在兩個激光脈沖之間的運動，從待測區(qū)域中查詢窗口中得到速度矢量信息：

在待測區(qū)域內(nèi)，利用激光片光照亮示蹤粒子，相機鏡頭將待測區(qū)域成像到高速相機的傳感器陣列上。相機傳感器能夠在單獨的圖像幀中捕捉每一個光脈沖。一旦兩個光脈沖序列被記錄下來，圖像就被分成小的部分，稱為查詢窗口。每個圖像幀的I1和I2查詢窗口之間進行互相關(guān)計算。相關(guān)產(chǎn)生一個信號峰值，確定粒子平均位移Δx，通過亞像素插值精確測量位移信息，進而根據(jù)兩脈沖之間的時間間隔獲得速度場信息。在CCD相機捕獲的兩幀圖像上，對每個詢問區(qū)域重復(fù)互相關(guān)計算，得到整個目標區(qū)域的速度矢量圖［14］。

如圖1 所示為PIV 原理示意圖，最簡單的PIV 系統(tǒng)主要由高速相機、激光器和同步器組成。

圖1 PIV原理示意圖

2 實驗教學(xué)設(shè)計

以船艏入水實驗為例，展示激光診斷技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，以期為相關(guān)課程及學(xué)者提供教學(xué)改革思路。

2.1 實驗?zāi)Ｐ团c工況

采用簡化的二維船艏為本次試驗?zāi)Ｐ?，如圖2 所示，實驗工況數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實驗相關(guān)參數(shù)

圖2 簡化的二維船艏模型

2.2 實驗設(shè)備

物體入水實驗平臺如圖3 所示，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗裝置，動手搭建實驗測試平臺。試驗裝置由鋁型材框架、下落滑軌和透明水箱構(gòu)成。透明水箱由亞克力玻璃制成，選取透明材質(zhì)便于高速相機拍攝流場中示蹤粒子的信息。水箱坐落于鋁型材框架上，底端與地面留有0.8 m距離，便于布置激光器。試驗時水箱中水深0.3 m，水箱上端設(shè)有兩根相互平行且垂直于水平面的滑軌，滑軌長0.8 m，滑軌中間設(shè)置有電磁裝置，利用通電開關(guān)控制物體下落。試驗時將下落物體通過電磁效應(yīng)固定在下落滑軌上，關(guān)閉電磁開關(guān)，下落物體在沒有磁力的作用下開始做自由落體運動，通過高速相機捕捉入水瞬時的流場特征。

圖3 入水實驗平臺示意圖

圖4 為工作中的激光診斷系統(tǒng)，所采用的高速相機型號為NAC Memrecam HX-6 高速CMOS 相機，分辨率為1 280 pixel×1 000 pixel，采集幀率為4 kHz，鏡頭為尼康50 mm f1.4 大光圈鏡頭。

圖4 工作中的激光診斷系統(tǒng)

激光器為一臺波長532 nm的10 W Nd：YAG連續(xù)激光器，輸出功率0 ～10 W可調(diào)，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩(wěn)定度小于1%（見圖5）。

圖5 連續(xù)激光器

選取由Dantec 公司制造的空心玻璃微珠作為本次研究的示蹤粒子，平均顆粒直徑50 μm，密度1.1 g／cm3，折射率1.52，具有良好的反光性和跟隨性，試驗分析中的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 互相關(guān)分析參數(shù)

2.3 實驗流程

實驗主要有以下幾個步驟：

（1）船艏入水實驗前期準備，如搭建實驗平臺，安裝電磁設(shè)備，透明水箱注水等；

（2）連接高速相機與激光器并調(diào)試相關(guān)參數(shù)，如調(diào)整焦距、光圈、激光強度等；

（3）在透明水箱中布撒示蹤粒子，粒子濃度適中，且均勻分布在待測流場中，并對待測流場進行標定；

（4）激光片光照射布撒在水中的示蹤粒子，控制電磁開關(guān)，使船艏模型做自由落體運動，同時控制高速相機開始采集；

（5）對采集得到的原始圖像進行圖像去噪、互相關(guān)分析等操作，進一步通過軟件分析得到待測流場中的速度信息；

（6）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

2.4 實驗結(jié)果

圖6 為高速相機采集得到的原始數(shù)據(jù)，可以看出，船艏模型與水體、氣相與液相具有明顯的分界線，且產(chǎn)生堆積區(qū)域與射流。在進行流場分析時，只計算液相區(qū)域，這里的流場是我們更加關(guān)注的。

圖6 高速相機采集到的原始數(shù)據(jù)

圖7 為不同下落時刻流線分布，流線能夠很好地給出流場的流動結(jié)構(gòu)，能夠形象地展示液體的流動方向。

圖8 為不同下落時刻流場信息。不同時刻下的流場最大速度均出現(xiàn)在堆積區(qū)域，并形成沿船艏壁面的射流。流體受到船艏模型的排擠作用，成散射狀向外發(fā)散。在下落到20 ms時，由于船艏內(nèi)凹壁面的影響，出現(xiàn)空腔?？涨惶幩俣冉档停瑢⒃具B續(xù)的速度等值線分成了上下兩部分。

3 教學(xué)成效

將激光診斷技術(shù)引進流體力學(xué)課堂中，使得原本晦澀難懂的力學(xué)課程變得生機活力。改變原有傳統(tǒng)的驗證型實驗教學(xué)，變?yōu)樘剿餍?、啟發(fā)性實驗教學(xué)，充分鍛煉學(xué)生的動手能力、解決問題能力。從實際問題出發(fā)，構(gòu)建問題簡化模型，搭建實驗平臺，將傳統(tǒng)試驗中的力與力矩改變?yōu)檎故靖嗟牧鲌鼋Y(jié)構(gòu)與細節(jié)。自從實驗改革實施以來，取得不錯成效，力學(xué)課程中學(xué)生的出勤率明顯提高，伴隨而來的便是成績的提升。啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式的教學(xué)方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，形成了學(xué)生解決問題的思維方式，培養(yǎng)了創(chuàng)新性人才。同時，學(xué)生在科創(chuàng)比賽以及科研論文等工作中均取得優(yōu)異成績［15-18］。

4 結(jié) 語

用人單位更加注重創(chuàng)新性人才的選拔，各大高校也積極響應(yīng)國家號召，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才［19］。我校依托船舶與海洋工程國家級實驗教學(xué)示范中心，對原本枯燥乏味課程進行改革，在增加學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時，亦能夠提高教師的教學(xué)水平，將科研與教學(xué)相結(jié)合，探索出一條產(chǎn)-學(xué)-研三位一體的教學(xué)之路。