基于TR-PIV技术的螺旋桨水动力实验教学平台设计

孙 聪， 徐 鹏， 韩 阳， 郭春雨， 王 超

（哈尔滨工程大学船舶工程学院船舶与海洋工程国家级实验教学示范中心，哈尔滨150001）

0 引 言

实验课程在各大高校培养创新性人才方面起着举足轻重的作用［1-2］。近年来，国家进一步加大对研究性实验课程的支持力度，深度落实创新教育教学方法的方针，大力培养创新性人才。大学不仅仅是传道授业解惑之地，更是培养学生判断事物能力、思考能力之处。教育部在《关于全面提高高等教育质量的若干意见》中提出“创新教育教学方法，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学”［3］，更加凸显创新教育教学方法的重要性。如何激发学生学习积极性是目前最棘手的问题。学校响应国家号召，大力发展实验教学，拓展新型实验方法来培养创新性人才，激发学生的创新意识、培养创新思维和增长创新技能［4-7］。

学生在螺旋桨敞水实验中仅仅测得相关推力、扭矩等物理量，对螺旋桨的工作状态以及周围流场无法产生定性认知，阻碍对螺旋桨抽象理论知识的理解。为此，在基于传统螺旋桨敞水实验基础上，引入先进激光测试技术——粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术，对螺旋桨处在不同转速和进速系数下进行测量，获得螺旋桨周围速度场、涡量场等信息，使学生能够通过实验现象来更好地深入理解理论知识。

1 粒子图像测速技术简介

粒子图像测速技术是20世纪80年代发展起来的一种无接触式、瞬时、全局的测量技术［8-9］。由于这些优点，PIV技术迅速成为研究者的利器，是现代流体力学测量技术里程碑式突破［10］。PIV技术充分吸收了激光技术、数字图像技术、信号处理与分析技术和计算机技术，随着现代科技的发展，PIV技术正逐渐走向成熟化、普遍化。PIV可以同时测得二维平面或三维立体空间内多个测点的二维或三维流速矢量，是目前实验流体力学领域应用最为广泛的流速测量技术［11］。根据空间测量能力，PIV可分为2D-2C PIV（2 Dimensional-2 Component PIV）、2D-3C PIV和3D-3C PIV，根据时间测量能力，可扩展到时间分辨粒子图像测速技术（Time-resolved Particle Image Velocimetry，TR-PIV）。本文所采用的就是2维TR-PIV。

如图1所示，PIV系统主要由高速相机、激光器和同步器组成。进行PIV流场实验时，需根据流场的具体流动选择适宜的示踪粒子和相机参数等。示踪粒子要求具有足够好的跟随性和反光性。跟随性是指示踪粒子能够跟随流体运动，这就需粒子的密度与流体的密度相当；反光性要求粒子能很好地反射激光。

图1 PIV系统结构示意图

通过相机拍摄得到待测流场图像信息之后，对图像进行分析处理，确定相邻两帧图像之间的粒子位移，根据相邻两帧图像的时间间隔，得到粒子的运动速度信息，即待测流场的速度信息。测量原理如图2所示。

图2 PIV工作原理示意图

2 实验教学设计

以螺旋桨在不同进速系数下实验为例，来介绍基于TR-PIV技术的螺旋桨水动力实验教学平台。

2.1 实验模型与工况

采用KP505桨作为本次实验螺旋桨模型，如图3所示，主要参数：直径（D）为0.20 m，毂径比为0.180，螺距比（0.7R）为0.997，盘面比为0.800，桨叶数为5。

图3 KP505螺旋桨模型

本次实验仅针对前进工况且螺旋桨转速保持不变，转速n＝600 r／min。通过改变流速来调节螺旋桨的进速系数，实验工况如表1所示。

表1 实验工况表

2.2 实验设备

实验在三甲实验室循环水槽中进行，如图4所示，循环水槽实验段为矩形截面，尺寸为1.7 m（宽）×1.5 m（高），有效测量段长度为8 m，流速由计算机控制，稳定流速范围为0～3 m／s。

图4 循环水槽

螺旋桨通过敞水箱与敞水动力仪相连接，如图5所示。

图5 螺旋桨与敞水动力仪

采集系统由高速相机、激光器以及后处理软件组成，通过自搭建方式布置在循环水槽观察窗外侧，如图6所示。进行互相关分析时所采用参数如表2所示。

图6 工作中的采集系统

表2 互相关分析参数设置

采用的相机（见图7）型号为Photron FASTCAM Mini UX100，拍摄频率设置为5 kHz，分辨率为1 280 pixel×1 000 pixel，镜头物距为500 mm。

图7 高速相机

激光器（见图8）为CW-10W 532nm连续激光器，输出功率0～10 W可调，TEM00格式，激光片光厚度2 mm，光腰直径3 mm，功率稳定度小于1%，发散角＜2 mrad，可TTL触发，工作温度0～35°，工作交流电压220 V。

图8 CW-10W 532nm连续激光器

示踪粒子采用聚酰胺颗粒，密度在1.03～1.05 g／cm3之间，平均粒径为50 μm，具有良好的跟随性和反光性。

2.3 实验流程

实验主要有以下几个步骤：

（1）螺旋桨水动力实验前期准备；

（2）连接螺旋桨水动力实验装置；

（3）在循环水池中布散示踪粒子，且保证粒子在水中均匀布散形成粒子浓度适中的待测流场，并对待测流场进行标定；

（4）通过计算机调速器来调节循环水池的流速；

（5）待流速稳定时，调节螺旋桨的转速；

（6）激光片光照射布散在水中的示踪粒子，同时用高速相机进行拍摄，得到PIV原始图片；

（7）对PIV原始图片进行图像去噪、互相关分析等操作，生成待测流场的速度信息；

（8）分析数据，得出结论。

2.4 实验结果

通过对原始数据的处理分析，得到螺旋桨流场的矢量图、速度图和涡量图。

图9展现了螺旋桨周围流场的速度变化以及螺旋桨工作时产生的尾涡情况，流动可视化使学生能够很好地从微观细节层面对引起宏观现象的机理进行认知，从而更加深刻理解专业知识，在枯燥繁杂的学习中激发学生学习兴趣。

图9 螺旋桨周围流场的实验结果

3 教学成效

传统的实验教学多为验证型实验，仅展现出宏观的力与力矩［5］，不能对流场的结构与细节进行观测，大大限制学生的创新能力。引进先进的实验测试技术、实验理念、实验设备，不仅能够带来传统教学实验上的变革，还能够带领学生了解本专业相关领域先进测试手段与技术。学生通过自己动手搭建实验平台，能够锻炼学生的动手能力、协作能力，也是从另一方面对学生掌握测试原理的检验。在实验中学生获得知识的同时亦能提高自身素质，如数据分析能力等。在本实验室采用此教育方式以来取得了不错的效果，学生实验兴趣得到提升，各方面能力也显著增加，并将其成果化，指导学生完成多项科技创新作品［12-15］。

4 结 语

随着国家大力发展创新教育教学方法，研究性实验教学不可避免地成为一种新趋势。本文在先前教学经验的基础上，将专业领域内先进的测量方法引入课堂，极大激发学生的积极性、创新性。学生通过对实验现象的定性与定量观测，深入理解实验原理与流场结构特征。同时，也促进了教学与科研相互融合，以教学促进科研，以科研成果服务教学，相辅相成。