2016, Vol. 38
流场是船舶运动最基本的力学环境。海洋中复杂海况和高海情引起的湍流、非定常流等耦合流动对舰船战斗性能与生存能力会产生不良影响。深入揭示流场作用现象和流动细节、产生机理，对解决这些问题具有重要意义。传统的船舶水动力学测试技术以模型试验和宏观测量为主，经过多年发展已较为成熟可靠。随着研究的深入，船舶水动力学已越来越关注细观流场的物理特性，流场信息可视化需求日益增长；同时，为更好地揭示流场在复杂环境下的流动细节，将测试技术由模型尺度拓展至实船尺度是国外重要的发展方向。本文聚焦于国外流场测试及可视化技术发展现状，分析精细流场测试在试验室环境下及实尺度环境下的应用进展，总结舰船流场测试及可视化的关键技术，并展望舰船流场测试及可视化技术发展趋势。
1 国外舰船流场测试及可视化技术发展现状 1.1 国外流场测试及可视化技术发展现状舰船流场测试的主要方法有毕托管测速，热线/热膜测速，激光多普勒及其相关技术测速，粒子图像及其相关技术测速。表 1比较了几种常用的流动测试技术[1]。
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表 1 常用的流动测试技术的比较 Tab.1 Comparison of flow measurement techniques |
传统的测速技术如毕托管测速、热线热膜测速等都有部分介质直接介入流体中，或多或少地对所测流场产生干扰。随着声、光技术逐渐进入流动测试领域，无干扰的光学测量手段已经开始被广泛应用于大型水动力试验设施中舰船复杂流场的观测和研究。其中，LDV作为一种较为成熟的流场测试手段已经被广泛应用。但是在湍流、三维流动、多平面或者多相流测试领域，LDV单点测量的局限性限制了其应用。
PIV是20世纪80年代发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法[1]。PIV技术克服了单点测速技术的局限性，实现了在同一瞬态时刻记录大量空间点上的速度分布信息，可提供丰富的流场空间信息及流动特性。PIV技术可选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式，在PIV技术实现过程中，由于其应用激光光源照亮流场待测区域，应用照相系统对待测流场区域进行图像采集，在整个测试过程中所有测量装置均对流场不产生扰动，故PIV技术具有较高的测量精度。
最早的水下PIV系统，多为半浸式的PIV系统[2]，随着测试和研究需求的不断增加，这种结构形式的水下PIV系统已经不再灵活和适用。越来越多的国外试验机构开始与PIV公司共同研发更为专业和便利的水下三维PIV系统。三维粒子图像测速（SPIV）系统采用立体数码照相技术，即采用多台CCD相机从不同方位记录被照明流场的一个剖面，通过事先设定的算法获得流场的速度场和压力场等。SPIV作为一种先进的流场测试手段已经在模型试验中得到了一定的应用，尤其对于三维流场的测量，SPIV是目前公认精确度比较高的技术。
现有的SPIV技术可按照光源对流场的照明方式分为两大类：一是对某个切面内三维速度的测量（2D-3c PIV，片光照明）；二是测量某个容积内体流动的三维速度（3D-3c PIV，体积光照明），实现真正意义上的全场三维PIV。3D-3c体PIV技术[3]的出现标志着流场测量由平面测量向体测量发展的趋势，即进行非定常、空间、多参量、非接触、全局的测量，而且正在逐步得到广泛应用。其他新出现的前沿技术包括全息粒子图像测速技术（HPIV），三维粒子跟踪测速技术（3D-PTV），层析粒子图像测速技术（TPIV）等。但是此类技术和设备的复杂性很强，许多关键技术必须予以解决。
国外舰船流场测试研究的主要机构有意大利船模水池（INSEAN）、美国海军水面战中心卡德洛克分部（NSWCCD）、美国爱荷华大学水利科学研究所（IIHR）、荷兰水池（MARIN），挪威水池（MARINTEK）、巴黎水池（BEC），英国奎奈蒂克（QinetiQ）等。它们都建立了各自的流场测试试验设施，并掌握了一定的测试技术和研究能力。除了在各自的水动力设施中进行试验和研究，还开展了广泛的国际合作。
2002年，BEC，INSEAN，MARIN，QinetiQ开展了一项跨国合作项目，完成了2艘水面舰艇（荷兰护卫舰De Ruyter和北约研究船Alliance）模型标称伴流和尾流场的测量，同时还应用激光多普勒测速仪（LDV）完成了对实船某一剖面螺旋桨进流的测量[4]。BEC负责在水动力水池进行水面船和潜艇的模型试验；QinetiQ负责对拖曳水池、水筒和实船试验中得到的数据进行CFD验证，得到更适合的代码和湍流模型；INSEAN负责拖曳水池模型试验和现有代码的湍流模型应用和评估；MARIN负责准备实船试验测量设备和进行实船试验。2002年意大利和美国海军开展了一项联合研究项目，计划通过模型试验和实船试验来探究水面舰船舭龙骨处的粘性流场。2004年，项目参与机构INSEAN，IIHR和NSWCCD合作完成了横摇状态下复杂表面船舶粘性水动力特征试验[5]。3家机构均选用加装舭龙骨的DTMB 5415船模为研究对象。INSEAN负责完成不同航速下单自由度横摇衰减的LDV测量；IIHR负责完成波形测量和PIV测量；NSWCCD负责完成PIV测量以及力和力矩的测量。最终得出了舭龙骨处流动细节的PIV试验结果与CFD计算结果，并将二者进行对比，结果表明PIV试验结果能够真实反映舭龙骨处的流场流动细节，试验结果具有可靠性。
舰船研究领域普遍的流场信息可视化应用包括船体压力场、极限型线、伴流场及船舶周围动态速度矢量等。2006年，MARIN，SSPA和INSEAN等机构开始了一项国际性合作项目“流场信息分析和可视化”，目标是优化试验获得的庞大数据群分析的质量和效率，优化试验流场数据群在数值工具验证和标定中的应用。使用的可视化工具包括Tecplot，CFX5post，Matlab和Fieldview。图 1显示了使用Fieldview和CFX5post得到的3D视图。
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图 1 船体的压力分布和迹线图 Fig. 1 Hull pressure distributions and streamlines |
经过十几年的飞速发展，国外流场测试主要试验机构已形成一定的试验能力，可以在水动力设施如拖曳水池、空泡水筒、循环水槽等开展常规性模型试验研究。除了上述提到的研究机构外，荷兰MARIN水池从2009年开始在深水拖曳水池使用丹麦丹迪动态公司（DANTEC）的SPIV系统，进行伴流场、全3D船体、推进器精细流场、涡激振动测量等试验项目；美国泰勒水池（DTMB）在减压水池中建立了1套PIV系统以测试螺旋桨周围流场，另外还在大型拖曳水池中建立了1套采用6W氩离子连续激光器作光源的PTV系统，利用该系统对水下潜艇模型的指挥台-艇体结合部流动结构进行测试研究；美国爱荷华大学在拖曳水池建立了随车式PIV系统，可测量3个互相垂直的截面，最大测量区域可达20 cm × 20 cm，每次拖曳可获得与处理250幅矢量图，该系统实现了实时在线处理。
1.2 模型尺度下流场测试及可视化技术应用现状国际拖曳水池会议（ITTC）从第25届大会开始成立了精细流场测试专家委员会，组织世界各国致力于流体力学基础研究的专家、学者开展深入研究，评述当今船舶水动力学领域应用的流场测试系统及其方法，描述粒子图像测速技术（PIV）、三维粒子图像测速技术（SPIV）、激光多普勒测速技术（LDV）、粒子跟踪测速技术（PTV）及其他技术在船舶流场测量中的应用。从第25届ITTC以来，经过几年的发展，舰船流场测试领域逐步拓展，测试技术也不断提高。
1）精细流场测试应用于船舶螺旋桨附近流场研究[6]
船体周围的流场是三维流动的，流场介质存在粘性，因此船舶绕流的分析十分复杂，这种复杂性体现在船舶尾部流动和伴流场中。而在船用螺旋桨设计中，船体尾部伴流场分布的精确预报更是螺旋桨成功设计的前提。国际上精细流场测试应用最多的即是船后螺旋桨尾流研究。表 2列出了从2000年至今国际上精细流场测试应用于船舶螺旋桨及船后舵的研究概览。
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表 2 国际上船后螺旋桨及船后舵的精细流场测试研究概览 Tab.2 Studies of detailed flow measurements on ship propellers and rudders |
研究表明PIV是一种直接获得船舶精确绕流场的优良手段，已被广泛应用于船舶尾部伴流场测量，尤其适用于非定常流场结构的全局瞬时测量，获得的定量信息可以为船舶尾流场复杂流动现象的揭示提供帮助[17]。LDV作为一种具有较高测量精度和分辨率的测试手段已被广泛应用，同时SPIV也开始逐步得到应用。
2）精细流场测试应用于船舶水动力学和船舶干扰流动
船舶横摇诱导的流场流体动力特征十分复杂。水面船的横摇运动轻微衰减和轻微再生，由于粘性现象如舭龙骨的涡分离，导致很难预测。
2004年，INSEAN，IIHR和NSWCCD三家机构合作完成了横摇状态下复杂表面船舶粘性水动力特征试验[5]。3家机构均选用加装舭龙骨的DTMB 5415船模为研究对象。试验中，INSEAN负责完成不同航速下单自由度横摇衰减的LDV测量，测试区域选在8个不同剖面；IIHR负责完成波形测量和PIV测量；NSWCCD负责完成PIV测量以及力和力矩的测量。图 2所示为横摇阻尼水动力试验装置示意图。最终得出了舭龙骨处流动细节的PIV试验结果与CFD计算结果，并将二者进行对比。图 3所示为舭龙骨横摇状态下的流动细节结果，图 3（a）为CFD计算结果，图 3（b）为PIV试验结果。对比2图可看出，PIV试验用于船舶横摇阻尼水动力特征研究可行，其测量精度符合设计要求，试验结果能够比较真实地反映流场的流动特征。
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图 2 横摇阻尼水动力试验装置示意图 Fig. 2 Experimental set-up of roll damping hydrodynamic test |
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图 3 舭龙骨处横摇状态下的流动细节对比 Fig. 3 Comparison of flow details at bilge keel in rolling motions |
3）精细流场测试应用于海洋工程和自由面流动
当一个结构如立管受到海流冲击，近伴流场的涡流发散导致振动横向力，从而诱导涡激振动。最近几年，PIV测试开始应用于横流的自由悬浮圆柱段的性能研究。巴西COPPE水池的费尔南德斯等[18]于2012年将PIV应用于涡自激振动（VSIV）的研究，其中结构的纵向运动能诱导横向振动，此现象区别于涡激振动（VIV）。阿斯兰（Arslan）等[19]（2012）综合采用CFD和PIV研究绕半潜式矩形圆柱体的流场。
2012年，斯坦斯伯格（Stansberg）等[20]在挪威MARINTEK的大型波浪水池进行了一项PIV试验以测量破碎波的近表面运动。采用PIV测量破碎波的速度场，聚焦于气水分界面，通过仔细调节流体和示踪粒子的照明，结合PIV后处理方法，可以在200 Hz采样频率下测量破碎波的局部速度场。结果显示采用PIV测量破碎波的运动学可行，但技术仍需进一步提高。图 4显示了破碎波中近表面速度场PIV测量结果。
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图 4 破碎波中近表面速度场PIV测量 Fig. 4 PIV measurements of near-surface velocity field in breaking wave |
2012年，奥利维拉与费尔南德斯合作开展了海上浮式生产储油船（FPSO）的横摇阻尼研究[21]，其中绕船体和舭龙骨周围发散的涡流对横摇阻尼起到决定性作用。在不同吃水、初始横摇角、舭龙骨宽度和横摇回转半径条件下开展试验，对FPSO横截面区域进行PIV测量。试验中可视化方法的应用有助于更好地进行不确定性分析和涡性能研究。2013年里约联邦大学的艾瓦洛思（Avalos）等[22]开展了CFD研究，结果与奥利维拉等2012年的试验数据相吻合。
1.3 实船尺度下流场测试及可视化技术应用现状尽管模型试验技术不断进步，实船试验的报道仍然较少。作为一项起始于2002年的国际性合作项目的一部分，NSWCCD，IIHR和INSEAN三家机构于2007年在意大利军舰“内维贝蒂卡”号（Nave Bettica）上运用PIV技术进行了舭龙骨处粘性流场的实船试验研究，这是第1次将PIV技术运用到实船试验研究中[23]。
为避免影响试验操作，PIV设备的安装选在干船坞期。图 5所示为试验装置示意图。除了收集PIV图像，使用数据处理计算机（装有Labview）收集所有20 Hz采样频率下的数据。计算机记录下了舭龙骨应力、船舶运动、GPS速度和方向、PIV同步信号等。使用LN200纤维光学陀螺仪测量船舶运动的6个平面。为了确保水中有足够微粒以显示清晰的PIV图像，还安装了一个粒子示踪系统。选择的示踪粒子是硅藻土，尺寸大约100 μm。试验最初计划采用SPIV，最终试验时为了降低风险和成本，采用了带一个相机的2D-PIV。
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图 5 “内维贝蒂卡”号试验装置示意图 Fig. 5 PIV equipment installed on the outer hull of the Nave Bettica |
图 6所示为PIV试验结果，图 3（a）为航速12.8 kn，T=0 s时舭龙骨处静水横摇衰减试验的PIV试验结果，图 3（b）为航速12.8 kn，T=8 s时的试验结果。可见水流和舷向的变化。
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图 6 PIV试验结果 Fig. 6 PIV test results |
本次实船试验的主要目的是通过收集PIV数据来研究粘性流场。为了解整体流场和相关力，也对舭龙骨侧力进行应变仪测量。其他收集的数据包括局部环境的测量（波浪和风），船舶运动和船舶穿水速度等。实船试验与模型试验数据的比较进一步揭示了粘性横摇阻尼水动力现象的尺度效应。本次试验中采用的试验技术也代表了试验工具的重要应用，验证了在复杂环境下的PIV应用。与横摇阻尼现象的揭示同样重要的是，掌握了这些测试手段在实船试验中的优势和劣势，有利于船舶水动力学领域试验技术的未来发展。
2 舰船流场测试及可视化的关键技术 2.1 示踪粒子选取、照明布置及图像处理技术示踪粒子是获取流场图像的基本手段，为使粒子运动真实反映流场运动，其直径、密度、形状、光反射性能等性能指标都有系列要求，而流动特性对粒子性能的要求也有所区别。因此，需要建立方法体系，对示踪粒子的选取规定方法、建立评价标准。
示踪粒子布撒到流场中后，必须进行照明方可被摄像机记录。照明光线的强度、方向等控制条件，必须同时满足示踪粒子、成像传感器（CCD或CMOS）的匹配要求，考虑整体优化性能。
当得到流场图像后，PIV在本质上转化为图像处理技术。经过相机标定、滤波等预处理后，通过粒子匹配算法获得粒子在像平面上的位移，进而计算出粒子的运动速度矢量分布。计算粒子在图像上的位移是最关键的环节，也是PIV研究的难点。最早采用光学杨氏条纹法、自相关法等来匹配粒子图像，目前一般采用互相关法处理粒子图像。
2.2 SPIV应用于大型水动力试验设施SPIV是目前公认精确度比较高的技术，但其应用于大型水动力试验设施存在诸多尚待突破的技术问题，尤其是表现在拖曳水池拖车上安装、满足与船模同步前进要求等方面。例如：虽然能够满足舰船模型舷侧处水流流场测试需求，但是较难满足舰船底部、乃至轴支架内侧等区域流场测试要求；满足舰船横剖面流场测试要求，较难满足纵剖面或水线面测试要求；针对潜艇等水下航行体，SPIV设备浸深不够，限制了流场测量有效区域，甚至有可能引起对测量精度的不利影响。另外，CCD以及激光发射器件位于雷体之内，在试验过程中，随着拖车一起前进，由于雷体形状、浸深较浅等因素，导致超过某一试验速度之后，雷体上产生大量空泡，导致试验无法进行。
2.3 实船测试结果一致性控制技术试验结果的一致性包括同一对象不同时期开展试验结果应保持一致，在不同海域开展试验结果应保持一致，或者当结果出现不一致，能够采取有效的方法，将计算结果外推或修正至一致。试验结果一致性是证明试验可靠性、有效性的基本、必要条件。
实船试验中环境条件难以始终保持一致，包括海况、海流、风向等；控制条件也较难一致，例如航速、螺旋桨转速等；且人为因素对实船流场测量影响结果较大。以上是实船流场测试一致性控制的三大难点。
2.4 流场测量结果处理技术目前的流场可视化工具和系统能有效对流场数据进行可视化处理与分析，但是可视化功能主要侧重于二维数据分析，如等值线、流线、颜色映射等，三维可视化功能不强。如今三维复杂流动可视化应用需求日益增长，对现有的流场数据可视化处理软件提出了更高的要求。提高大规模流场测试数据高精度、高效率可视处理与分析能力，是流场信息可视化的迫切要求。
3 舰船流场测试及可视化技术发展趋势 3.1 从平面测量向体测量发展当前的许多课题以三维流动为研究对象，以全局、瞬时、定量、三维流场显示为目标，单纯的平面测量已不能满足三维复杂流场的需求，因而迫切需要深入开展三维PIV研究[24]，以更好地揭示流场内部复杂的空间结构，更深刻地反映流场的流动机理。如何使PIV设备一体化、灵活化和人性化，研制多方位测量的高精度SPIV系统，从平面测量向体测量发展，以及与之相对应的后处理分析，不确定度分析等，将是未来流场测试及可视化技术发展的重要方向。
3.2 模型试验常规化从国外的经验来看，试验室环境下舰船流场测试已经形成一定的试验能力，解决了精细流场测试的手段。但是开展此类试验，需要准备周期长，标定与校验复杂，成本高昂，尚属于非常规试验。如何使模型试验常规化，装置小型化与集成化，安装模块化，提高试验效率，降低试验成本，并保证足够的测量精度和准确度，是试验室环境下流场测试手段的重要发展方向之一。
3.3 从模型试验向实船试验发展国外依托水池实验室，以船模为目标对象的流场测试技术逐步成熟，以此为基础，逐步增加了实船流场测试的研究工作。该类测量直接服务于实船尺度，得到的试验资料价值很大，为从模型尺度建立起外推至实船的预报方法，打下坚实基础。此类试验技术难度大、周期长、费用高，环境影响因素多，试验一致性、测试准确性较难保证，既是流场测试及可视化技术重要发展方向，也是难点。
3.4 与计算流体力学结合成为推广方法近年来计算流体力学（CFD）成为一种优良的辅助测试手段并被广泛采用。一方面，国外许多在研流场测试项目，是为计算流体力学（CFD）提供“校验”数据；另一方面，CFD方法的引入，能够提前对模型试验结果进行定性预估，并用于解释流场精细测量的一些争议性问题。充分利用CFD的优势，并将其与PIV试验相结合，将使PIV的发展提升到新的层次。
随着舰船测试设备硬件的不断革新，计算机技术、激光技术的不断发展，以及后处理算法的不断优化，测试精度会不断改善，舰船流场测试及可视化技术将在可预见的未来有更大的进步。
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