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原文传递船模尾部流场水下PIV测量技术与流动机理研究

论文题名：	船模尾部流场水下PIV测量技术与流动机理研究
关键词：	船舶尾流场;粒子图像测试;三维空间流场;速度变化;湍流特性;旋涡特性
摘要：	船舶与水环境的相互作用宏观表现为船舶在水环境中的水动力性能。船舶与水环境的微观作用形式表现为船舶周围水质点的绕流状态。尾流场作为船舶绕流场中的重要组成部分，直接关系到船舶阻力（旋涡阻力）、推进（力、空泡、噪声）、船艉区域的振动、激励特性（流体脉动与流动分离）以及船员的舒适性等性能。本文对船模尾部流场水下PIV测量技术与流动机理进行了研究，基于粒子图像测试技术(Particle Image Velocimetry，PIV)，应用哈尔滨工程大学拖曳水下2维3速度分量立体PIV(Two Dimension Three Component Stereoscopic PIV，2D-3C SPIV)精细流场测量设备，采用模型试验研究的方式对船舶尾部流场的速度、湍流和旋涡特性等流动机理进行了系统的分析，发现与揭示了76000 DWT（简称76 K）巴拿马散货船的尾流场平面与空间流动分布特征。本文的主要工作如下: 　　从法规、规范以及行业需求等方面深入分析了流场测试技术以及精细流场分析与研究对船舶水动力性能在理论和方法研究上的重要性。阐述了基于激光的船舶绕流场测试技术及测量系统的发展历程，对拖曳水池PIV测速系统及激光多普勒(Laser Doppler Velocimetry, LDV)测速系统进行了对比分析，对水面舰船及水下航行器的PIV绕流场测试进行了进展分析。　　对船舶精细流场测量的实验设备及方法进行了介绍，包括基本试验设备、试验模型等。重点介绍了拖曳式水下2D-3C SPIV测量系统及其测试方法，对PIV测量系统的标定方法与标定依据、示踪粒子的选取和播散方法进行了描述，对2D-3C图像处理、速度场分析、速度梯度求解以及速度与湍流特征参数等进行了详细的介绍。　　针对SPIV测量系统测量能力、测量精度以及测量不确定度与收敛性问题。分别进行了已知拖曳航速的无结构物均匀流PIV试验研究、KCS国际标模PIV试验研究，试验后进行了无结构均匀流下标准流场的验证和KCS船KRISO国际标准流场的验证研究。标准流场验证后系统的进行了SPIV测量过程中的潜在误差源分析，并针对拖曳水下2D-3C SPIV测量试验应用意大利水池沿用的不确定度与收敛性分析方法对本文的2D-3C SPIV速度测试的不确定度与收敛性进行了分析。　　针对设计、压载装载状态、不同航速因素等工况下的船舶伴流场流动特征获取与揭示问题，进行了SPIV测量研究与精细流场分析。其中，测量的主要速度参数有轴向速度u、展向速度v、垂向速度w、平面速度大小S、总速度大小L、速度矢量、流线、平均动能AKE等。针对测量结果除进行了时间平均速度特性分析外还对典型速度样本N=60，70，150和155编号的瞬态速度特性进行了详细的分析。　　针对设计、压载装载状态等工况下的船舶伴流场湍流特性问题的研究。对湍流脉动速度、湍流度、湍动能、雷诺正应力、雷诺剪切应力等参数进行了分析，还对伴流场湍流各向异性、湍流特性与流体微团变形率、额外变形率以及船艉形状的关系进行了分析与说明。　　针对三维空间尾流场的流动特征获取与揭示问题，进行了多2D切面CT扫掠式测量与3D-3C尾流场的空间重构研究，对空间重构过程、不同轴向、展向与垂向的速度进行了分析，还对速度特性与湍流特性的空间分布进行了研究。对76 K巴拿马散货船设计与压载状态下的桨盘面区域旋涡分布特性以及尾流场旋涡的空间分布进行了研究，分析了舭涡、毂帽涡生成、增长、发展与传递等空间演化特性。
作者：	吴铁成
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	郭春雨
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019