PIV技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用

收稿日期：2016 - 08 - 25
网络出版时间：2017-3-13 16:31
基金项目：国防基础科研计划资助项目（B2420132001）；国家自然科学基金资助项目（51379045，51679043，51679053）
作者简介：王晓强，男，1981 年生，博士，工程师。研究方向：船舶水动力性能与结构动响应。
基于 PIV 技术的试验内容主要为： 1）在 流 场 内 均 匀 布 置 示 踪 粒 子 ，示 踪 粒 子 的 运动反映所在流场内相应位置处的流体质点运动 状况。 2）用 足 够 强 的 自 然 光 或 激 光 光 源 照 射 所 测 流场的平面，由于粒子对光的散射作用，利用 CCD 相机或其他成像系统记录连续 2 次曝光或多次曝 光的粒子图像。 3）根据各相邻粒子图像中同一粒子间的距离 和脉冲时间间隔，处理得到整个监测域的速度场。 4）至 于 涡 量 场 等 其 他 流 场 信 息 ，通 过 对 速 度 场数据处理得到。
PIV 技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用
王晓强 1，刘怀西 2，马山 2，郭春雨 2
1 海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北 武汉 430064 2 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要：［目的］为研究船舶横摇过程中粘流场细节以提高横摇阻尼数值模拟精度，［方法］开展了粒子图像测
本文将开展 PIV 技术在驳船船模强迫横摇试 验 中 的 应 用 研 究 ，该 试 验 在 哈 尔 滨 工 程 大 学 船 模 拖曳水池进行。试验中，利用先进的 PIV 系统精 确 测 量 扰 动 流 场 的 物 理 信 息 ，通 过 示 踪 粒 子 图 像 处理可视化显示船模横摇运动时船体舭部附近的 流动分离、漩涡泄出等现象，研究船舶横摇运动特 性。并利用商业 CFD 软件进行这一问题的数值模 拟，做出二者结果定性和定量的比较。
刘怀西，男，1990 年生，硕士生。研究方向：船舶水动力性能。
马山（通信作者），男，1976 年生，博士，教授。研究方向：船舶水动力性能。
郭春雨，男，1981 年生，博士，教授。研究方向：船舶推进节能与模型试验技术。
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中国舰船研究
第 12 卷
0引言
横摇运动是影响船舶在波浪中航行性能的重 要 指 标 ，目 前 国 际 海 事 组 织（IMO）正 在 制 定 第 二 代 完 整 稳 性 规 范［1］，其 中 大 幅 横 摇 运 动 作 为 参 与 参数横摇、瘫船稳性和过度加速度这 3 类风浪中 动 稳 性 问 题 的 影 响 因 素 ，受 到 造 船 行 业 的 广 泛 关 注。横摇阻尼是影响船舶横摇运动的重要因素， 对其准确估算因涉及到复杂的流体涡流效应而成 为水动力学研究中的一个关键问题。传统的船模 横摇水动力测试试验往往关注横摇阻尼系数的定 量 获 取 ，而 忽 视 了 横 摇 运 动 扰 动 流 场 细 节 的 定 性 观察。
1 PIV 工作原理及其系统组成
1.1 PIV 工作原理
PIV 技 术 结 合 了 光 学 技 术 、图 像 处 理 技 术 和 计 算 机 技 术 的 研 究 成 果 ，利 用 专 业 设 备 获 取 全 流 场 的 实 时 物 理 信 息 ，达 到 对 整 个 流 场 的 精 确 测 量 。 可 提 供 丰 富 的 流 场 空 间 信 息 及 速 度 矢 量 、流 线、漩涡等流动信息。
2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
Abstract：In order to study the physical details of viscous flow in ship roll motions and improve the accuracy of ship roll damping numerical simulation, the application of the Particle Image Velocimetry (PIV) technique is investigated in model tests of forced ship rolling in calm water. The hydrodynamic force and flow field at the bilge region are simultaneously measured for barges at different amplitudes and frequencies in which the self-made forced rolling facility was used. In the model test, the viscous flow variation with the time around the bilge region was studied during ship rolling motion. The changes in ship roll damping coefficients with the rolling amplitude and period were also investigated. A comparison of the model test results with the Computational Fluid Dynamics（CFD）results shows that the numerical ship roll damping coefficients agree well with the model test results, while the differences in the local flow details exist between the CFD results and model test results. Further research into the model test technique and CFD application is required. Key words：Particle Image Velocimetry（PIV）；Computational Fluid Dynamics（CFD）；ship roll motion； roll damping coefficients；flow field measurements
速（PIV）技术在静水强迫横摇水动力测试中的应用研究。首先，采用自制的强迫横摇装置在水池中开展某驳船
在不同摇幅和振荡周期下船舶横摇水动力与舭部流场的同步测试。观测舭部粘流场在船体振荡过程中的变化
规律，研究横摇阻尼系数随摇幅和周期的变化规律。然后，将模型试验测试结果与计算流体动力学（CFD）软件
模拟结果进行对比。［结果］结果表明，CFD 预报船舶横摇整体阻尼系数精度较好，但预报的局部流场细节与模
型试验测试结果间存在一定的差异，［结论］需在模型试验技术和 CFD 预报技术上开展进一步研究。
关键词：粒子图像测速；CFD；横摇运动；横摇阻尼系数；流场测量
中图分类号：U661.7
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.006
Investigation of the hydrodynamic model test of forced rolling for a barge using PIV
随 着 流 动 显 示 技 术 的 发 展 ，粒 子 图 像 测 速 （PIV）技 术 由 于 其 在 精 细 流 场 监 测 方 面 的 强 大 能 力而在水池试验中应用越来越广泛。将其应用到 船 舶 横 摇 阻 尼 水 动 力 测 试 中 ，可 以 监 测 横 摇 运 动 时 船 体 舭 部 流 动 分 离 、漩 涡 泄 出 等 与 船 舶 横 摇 性 能 密 切 相 关 的 物 理 现 象 ，已 成 为 研 究 横 摇 水 动 力 物理特性、辅助数值建模的重要技术。
4 种不同类型船舶零航速下自由衰减横摇运动进 行了模拟，数值结果得到了模型试验的验证，表明 CFD 技术在船舶横摇阻尼预报上有很好的适用 性 。 Begovic 等［9］采 用 CFD 技 术 对 DTMB 5415 标 模在完整和破损情况下零航速自由衰减横摇阻尼 开展了分析研究，对网格、时间步长和湍流模型等 敏 感 因 素 进 行 了 分 析 。 Yildiz 等 针 ［10］ 对 S60 船 舯 剖面在有限水深情况下开展了强迫横摇水动力测 试 试 验 ，基 于 测 试 数 据 对 比 分 析 了 CFD 结 果 和 Ikeda 经验公式预报结果的计算精度。
1.2 PIV 系统组成
通 过 上 面 的 原 理 介 绍 可 以 看 出 ，PIV 系 统 主 要由示踪粒子、成像系统和图像处理系统 3 部分 组成。
1）示踪粒子。 需要满足以下条件：散布均匀、流动性和跟踪
第2期
王晓强等：PIV 技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用
目前，CFD 技术在船舶水动力学研究中发展 迅 速 ，能 够 面 向 整 个 流 场 提 供 任 何 位 置 的 物 理 信 息［7］，如 湍 流 强 度 、雷 诺 数 、漩 涡 强 度 、流 场 速 度 矢 量等，便于与水池试验的结果进行比较，更好地了 解流场特性。Zhou 等［8］采用三维粘流分析软件对
WANG Xiaoqiang1，LIU Huaixi2，MA Shan2，GUO Chunyu2 1 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
在 国 内 ，PIV 技 术 在 水 动 力 流 场 研 究 中 的 应 用相对较晚，但近些年发展较快。例如，李广年等［5］ 在大型空泡水洞中成功开展均匀来流下的螺旋桨 测试研究，验证了 PIV 技术在这一领域应用的可 行性；郄禄文等［6］基于 PIV 技术，研究了规则波作 用下不同形式防波堤周围的涡旋场特性。当前， 国内介绍 PIV 技术在船模水池试验中应用的文献 较少，尚未见到将 PIV 技术用于船模横摇水动力 流场测试方面的内容。