基于PIV的客滚船风阻流场研究

孙寒冰 昝立儒 孙志远 邹 劲

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨150001）

引 言

客滚船具有装卸省时省力的优点，在运输船舶随着国际航运的发展，客滚船的吨位不断增加，使得航行中上层建筑风载荷变得不可忽略。

罗少泽等人［1］使用常规测力方法的风洞试验研究了集装箱船甲板上装载的集装箱的数量和位置对风阻系数的影响。杨林家等人［2］在忽略其他上层建筑的前提下，使用CFD方法对LNG船的货舱风阻进行了计算分析，验证了大涡模拟方法对计算风阻的有效性。周传明［3］使用CFD方法对一艘20 000载重吨江海直达型散货船的水上部分进行风阻预算，并将计算结果与Blender方法和OCIMF方法进行对比分析，低速时得到的结果相似，速度达到一定程度时误差逐渐增大［3］。CHAN H S等人［4］在忽略了上层建筑的风阻作用的前提下，对客滚船水下部分在规则波中的载荷进行研究。SHEN Qing等人［5］对包括风阻载荷的客滚船阻力特性进行分析计算，并对重载下的横摇进行研究。张银龙［6］研究了客滚船在波浪中的线性恢复力矩和非线性阻尼力矩的影响，但也忽略了水上部分风阻载荷的影响。高兆栋［7］通过仿真，分析了客滚船在波浪下的载荷和横摇。可以看出，目前针对船舶风阻特性的研究多集中于风洞试验以及数值方法，而客滚船的阻力研究多数集中在水下部分。

如今，一种粒子图像测速技术（particle image velocimetry，PIV）开始应用于大型风洞中，技术也渐趋完善［8］。船舶行业PIV技术的应用研究主要在水动力研究领域。KIM W J等人［9］应用PIV对KCS和KVLCC周围流场进行测量，得到较精确的流场图像；LEE Sang Joon等人［10］应用PIV对KCS的横向流场进行了测量，准确显示了横向流场的流动特性。本文通过试验研究某客滚船的空气流场特性，通过粒子图像测速法得到迎风状态和横风状态下客滚船上层建筑周围流场的细节信息，并结合试验现象和结果分析客滚船船空气绕流场的特点。

1 试验设备和模型

1.1 PIV设备

PIV是一种在流场中同时多点（例如几千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术，通常在流场的“平面薄片”中进行测量。PIV系统主要由成像系统和分析显示系统组成。成像系统由激光器、片光元件、激光脉冲同步器、CCD摄像机组成；分析显示系统主要由图像采集装置和图像分析软件及计算机组成。PIV设备图如图1所示。

图1 PIV设备图

1.2 示踪粒子

在PIV试验中，示踪粒子的选择十分重要。本次试验采用便携式压力雾化示踪粒子发生器产生所需的粒子，粒子介质为橄榄油，产生的示踪粒子直径为1～2 μm，示踪粒子密度与空气密度近似，范围在1.1～1.3 kg/m3。示踪粒子发生器安装在风洞驻室，由管道引入风洞稳定段。示踪粒子发生器如图2所示。

图2 示踪粒子发生器

1.3 模型参数

本试验模型由哈尔滨工程大学设计并加工，模型缩比为1 : 100。客滚船模型由上船体和下船体两部分组成，模型及主要参数见图3与表1。

图3 试验模型

表1 模型参数mm

1.4 PIV试验方法

本文基于风轴系与体轴系两个坐标系对客滚船的风阻进行分析。其中风轴系指大地坐标系，这里建立体轴系坐标系，原点O位于模型力矩参考中心（重心），X轴为纵轴，平行于艇体中纵轴线指向前方；Y轴为横轴，垂直于艇体纵中对称面，指向右舷；Z轴为竖轴，垂直于纵轴指向上方（如图4所示）。

图4 体轴定义示意图

纵向和横向剖面PIV试验改变模型风向角时，相机和片光绕风洞转盘中心同步旋转，相机和片光位置相对固定；当只改变模型拍摄位置时，相机和片光不动，模型移动。

水平剖面PIV试验时，片光高度由风洞外移测架升降实现，相机位置不动，通过调节焦距使图像清晰，改变拍摄位置时仅移动模型。

PIV试验测量模型横向（垂直于气流平面）和纵向（平行于气流竖直面）剖面时，激光器安装在风洞上转盘外，相机固定在风洞内的地板上（如图5所示），相机轴线与片光平面垂直。下页表2列出了此次PIV试验的工况。

图5 PIV试验时相机安装

2 试验结果

2.1 测力试验结果分析

测力试验模型的姿态由迎角、侧滑角机构和姿态角控制系统配合完成。

在标准大气条件下，对模型气动力及力矩进行测量。影响试验准确性的误差主要包括风速控制、姿态角控制和压力测量。试验系统误差见表3。

表3 试验系统误差

客滚船模型在不同风速下的风轴阻力曲线如图6所示 。从该图可以看出，随着侧滑角的改变，在固定的风速下，客滚船模型的气动特性与风向角有密切关系：随着β从0°增大到180°，客滚船模型的风轴阻力先增大后减小，当β = 90°时，风轴阻力到达最大值。图中Fx表示风轴阻力。

模型体轴偏航力矩如图7所示。偏航力矩方面，在 0°＜ β ＜105°范围内，模型产生逆时针偏航力矩，模型的偏航力矩先增大后减小，当β=45°时，偏航力矩达到最大值。在 105°＜ β ＜180°范围内，模型产生顺时针偏航力矩，模型偏航力矩的绝对值先增大后减小。图中My表示偏航力矩。

图7 模型体轴偏航力矩

模型体轴侧向力如图8所示。侧向力（体轴系y 轴方向）在 0°＜ β ＜35°范围内，模型的侧向力呈现增大的趋势，在 35°＜ β ＜120°范围内，模型的侧向力变化不明显，在 120°＜ β ＜180°范围内，模型的侧向力呈现减小的趋势。图中Fy表示模型的侧向力。

图6 模型风轴阻力

图8 模型体轴侧向力

2.2 PIV试验结果及分析

测力试验测量出了不同风向角下的阻力、偏航力矩及体轴侧向力，PIV试验则得到了客滚船在不同风向角下的绕流场细节。下面对得到流场的速度矢量图和速度云图进行分析，参见图9-图14。

V = 25 m/s、β = 0°时的纵向剖面速度矢量图和速度云图见图9（a）和下页图10（a）。纵向剖面处流线沿船体方向向后延伸，在各建筑物后均出现较小的扁平分离涡。这是由于分离涡前的建筑阻碍，使其后的流速较慢，从而产生压力差，进而产生分离涡。

图9 不同风向角下客滚船纵剖面速度矢量图（V = 25 m/s）

V = 25 m/s、β = 45°时的客滚船模型纵向剖面速度矢量图和速度云图见图9（b）和下页图10（b）。因流动风向与船体有倾角侧洗，与风向角β = 0°相比，船首部分离涡的扁平度减小，在船体后侧的气流开始出现上洗现象。这是由于风向角越大，船体阻碍作用越强，使近船体流域的流速越慢压强越大，从而产生上洗现象。

V = 25 m/s、β = 90°时的纵向剖面速度矢量图和速度云图见图9（a）和图10（b）。在模型纵剖面可见明显的流动分界线，分界线两侧气流差异较大，分界线以外的气流表现为上洗。

V = 25 m/s、β = 0°时的横向剖面速度矢量图和速度云图见下页图11（a）和图12（a）。由于船舶上层建筑的影响，在横剖面上的横向速度分量存在一半圆形分界线，分界线外部流线向外发散，近模型区横向速度分量约为2 m/s。

图10 不同风向角下客滚船纵剖面速度矢量图（V = 25 m/s）

图12 客滚船横剖面速度云图（V = 25 m/s）

V = 25 m/s、β = 45°时的横向剖面速度矢量图和速度云图见图 11（b）和图 12（b）。模型左舷迎风面与风洞地板间的角区内存在明显的流动分离，但0°时建筑物外围的横向分界线消失了，矢量图上模型右舷建筑物主体后方存在一个近似圆形的分离涡。其形成原因是模型阻塞作用造成了船体顶部速度上升，最高处超过30 m/s，右舷建筑物后产生单个漩涡，漩涡中心处速度为0～3 m/s，进而产生压力集中区。

V = 25 m/s、β = 90°时的横向剖面速度矢量图和速度云图见图 11（c）和图 12（c）。从速度矢量图可以看出：此状态客滚船的背风面分离区影响范围较大，而且还存在复杂的二次分离现象。这是由于风向与船舶垂直，使左舷迎风面的流动分离更加明显。在图12（c）上也可以看出模型右舷建筑物主体后方大片区域速度较低，流动近似静止，而且船体顶部的速度梯度变化较大，产生的分离较复杂。

图13 客滚船水平剖面速度矢量图（V = 25 m/s）

图14 客滚船水平剖面速度云图（V = 25 m/s）

在水平剖面上选取两个特殊风向角0°和90°对水平剖面流场分布进行研究分析。V = 25 m/s、β = 0°时的水平剖面速度矢量图和速度云图见图13（a）和图14（a）。因模型阻塞作用使得侧面流速高于来流，但未发生流动分离 现象。V = 25 m/s、β = 90°时的水平纵向剖面速度矢量图和速度云图见图13（b）和图14（b）。模型右舷迎风面船首和船尾流线向两侧弯曲绕过模型。在图14（b）上可以看出：客滚船模型左舷背风面流线先由远侧向船中流动，然后分别流向船首和船尾，从而形成一对分离涡。

3 结 语

本文利用风洞试验和PIV技术对客滚船进行了风场模拟和空气绕流场显示，对空气绕流场细节进行分析，得到以下结论：

（1）随着风向角的增加，纵向风轴阻力和横向侧向力都呈“抛物线”规律变化，偏航力矩呈“正弦曲线”分布，并存在两个方向相反的阻力峰。

（2）在风向角不为0°时，船体后侧的气流出现上洗现象，背风舷侧会产生大规模分离涡；风向角为0°时，分离涡主要产生在高建筑与低建筑物的空隙处。为减少客滚船迎风时的分离涡，可尽量减少上层建筑的高度差。

运用PIV技术对客滚船的风阻流场进行研究后得出，PIV技术可以形象准确地描述船舶的风阻流场分布，使用流线表示流场的流动分离现象，将背风面复杂的分离区准确地显示出来，从而对后期的CFD计算验证以及风阻优化提供参考依据。