基于PIV技术的潜艇尾流场研究

王新宇

摘要：潜艇尾流场对潜艇水动力性能有重要影响，也是其水下噪声的重要来源。想要研究清楚潜艇尾部涡流场，必须有精确便捷的方法。而PIV可以测得同一瞬态整个流场的流动形式，且对所测流体不进行扰动的特点，对研究清楚潜艇尾部涡流场有着巨大的作用，所以选择用PIV测量。结果表明：横向水流对潜艇尾部产生的干扰更大对于横向水流冲击潜艇，且与潜艇纵剖面垂直的水流对潜艇尾部的影响更大，与潜艇纵剖面有一定角度的水流影响较小

关键词：PIV技术；涡流场；潜艇

1.引言

近些年，PIV技术迅猛发展，利用PIV技术进行的对船舶潜艇的研究也日益增多，利用PIV对潜艇进行尾部涡场进行研究，已提高潜艇水动力性能，也越来越被重视。[1]Felli等用PIV技术对某潜艇艇体流场进行了测量，[2]骆婉珍等对船体附着冰对尾流场影响进行了实验研究，发现了冰的存在破坏了船原有的优秀设计[3]肖昌润等人对潜艇模型尾流场和水动力噪声的关系进行了研究，得出了潜艇速度改变与噪声的关系，王[4]志博等人进行了指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究，得出围壳外形与潜艇尾流场特征的关系。[5]李茂华等对三维PIV应用于船舶精细流场测试进行了研究，阐述了SPIV技术近些年的进展。虽然对于潜艇周围流场的研究有了一些成果，但是水流冲击方向对于尾流场影响的研究较少，本文对从不同方向不同截面冲击潜艇对潜艇尾流场的影响进行研究。

2.实验

2.1实验器材

该实验采用了由3D打印技术制造的潜该模型，尾部的直角形附体长约1厘米，采用了激光发射器，以便观察到示踪粒子的运动情况，准直透镜将激光发射器发出的光聚成平行光束，会聚透镜放置在准直透镜之后，使光束形成一个光点；柱透镜放置在准直透镜之后，使光线形成一个约为1毫米二维片光。加入的示踪粒子为直径为5微米的空心玻璃球，不溶于水，能较为准确的反映水的流动形式，有较强的散射力。本实验所用的电脑由美国惠普公司生产。所用的CCD相机每秒大约207帧，是为了进行高速拍照，后期实验数据处理所用的软件为TECPLOT,在其上能得到清晰的流线图与实验的各种参数，可得到水流的速度场。

2.2实验过程

2.2.1对潜艇尾部横截面进行测量(水平流与倾斜流)

将PIV的CCD相机的镜面与潜艇横截面平行，使片光源经过潜艇的横截面，片光源与CCD相机固定，待摆放好实验装置后，用推水板从潜艇前部向潜艇后部进行水平推水，再用推水板从潜艇的头部上方向潜艇尾部下方进行推水，然后用CCD进行记录

2.2.2对潜艇尾部的纵截面进行测量（水平流与倾斜流）

使CCD相机的镜面对准潜艇的尾部，潜艇的纵中轴线过CCD相机，使片光源经过潜艇的尾部，并与CCD相机的镜面平行，片光源与CCD相机固定，用推水板从与潜艇纵剖面垂直的方向进行水平方向上的推水，用推水板从与潜艇纵剖面垂直的面上自上而下进行推水

3.数据结果与分析

3.1水平流横截面

横截面实物图

图1横截面速度场1图2横截面速度场2

图1上没有形成明显的旋涡，能观察到在图片的左方的流线图有些不同，并不是完全水平的，有一些弯曲，在弯曲的前方，水流速度平均在11米每秒，在弯曲处的水流速度约1米每秒，在弯曲的后方，水流速度在0.5米每秒，受到了相当大的阻碍

图2是在上一幅图0.2秒后的图像，图像的左方有一个较明显的旋涡，而这在原图中的位置也是潜艇尾部的位置，在左处旋涡前的水流流速约11米每秒，在旋涡中的水流流速约0.12米每秒，在旋涡后方的水流速度约0.1米每秒，在旋涡形成的过程中水流的速度减小的更快，旋涡的产生使潜艇尾部受到了更大的影响

3.2倾斜流横截面

图3横截面速度场1图4横截面速度场2

图3，整张图片上还没有形成明显的旋涡，但能观察到在图片的左上方的流线图有弯曲,由于潜艇尾部结构被水流冲击而造成的，这个弯曲前水流速度约为1.3米每秒，弯曲后的水流流速约为0.2米每秒

图4知这张图片是第一张图后0.05秒后拍摄的，在图像的左下方形成了一个涡流，此涡流对应的位置在实际图像中应为潜艇尾附体的下方，由于水流冲击形成了此旋涡在旋涡沿水流的前方流速约为2米每秒，在旋涡外围左下方流速约为1.4米每秒，中心约为0.07米每秒，右上方约为0.08米每秒

3.3平流纵截面

纵剖面实物图

图5纵剖面速度场1图6纵剖面速度场2

图5，水流近似在水平流动，在右边形成一段不规则流动的水流，这符合实际情况，在实际图中，也只有潜艇的尾部在图中。据测量，在不规则流动的水流前方的水流流速约为5.1米每秒，在此水流中水流流速约为0.03米每秒，在此水流后方，水流流速约为4米每秒

图6是在上图0.05秒后得到的，图中右上方有一个漩涡，漩涡出现的位置在冲击面的后方，水流在此图中的初始速度约为4米每秒，也是在潜艇尾部骤降至0.04米每秒，之后随水流上升速度又增为3.8米每秒

3.4倾斜流纵截面

图7纵剖面速度场1图8纵剖面速度场2

图7是上图0.05秒后的流线图，图中的右上方有一个漩涡，图中的水流方向是自左下向右上的，漩涡出现的位置在水流冲击潜艇尾部结构的后方，水流在图中左下方的速度约为9米每秒，水流在潜艇尾部位置处速度骤降到0.08米每秒，

图8在旋涡处的速度约为0.6米每此图为上图0.05秒后的流线图，同样也是在右上方出现了一个漩涡，漩涡也是在水流冲击潜艇尾部在其冲击面后方形成的，图中的水流方向是自左下向右上的，通过分析数据可得，水流在图中左下方的速度约为6米每秒，水流在潜艇尾部位置处速度骤降到0.03米每秒，在旋涡处的速度约为0.2米每秒

4.分析与讨论

1.以上几个纵剖面图像的比较可得出水流冲击潜艇尾部所产生的漩涡是出现在水流冲击面的背面，产生漩涡的位置与水流速度的下降并没有直接的关系，与潜艇尾部的位置有关

2.通过对横截面水流冲击情况与纵剖面水流冲击情况的比较可以得出，当水流顺着潜艇的纵轴线冲击冲击潜艇尾部时，水流速度降低的速率与水流垂直于纵轴线冲击降低的速率相比更慢

3.通过对水流横向和斜向冲击的比较，水流顺着潜艇的纵轴线冲击冲击潜艇尾部时，水平和斜向的水流对流速变化影响不大，但是水流垂直于纵轴线冲击时，明显是水平水流的流速降低更快

5.结论

根据上述实验结果，得出结论；

1.横向水流对潜艇尾部产生的干扰更大，故潜艇实际运行中，避免遭受横向水流

2.对于横向水流冲击潜艇，与潜艇纵剖面垂直的水流对潜艇尾部的影响更大，与潜艇纵剖面有一定角度的水流影响较小，故在潜艇行驶时，无法避免横向水流时，与其保持一定的角度

3.旋涡形成的位置在背流面。

参考文献

[1]FELLIM，PEREIRAF，CALCAGNOG，etal.Amodu⁃larStereo-PIVprobeforunderwaterapplications：con⁃figurationsandmeasurementperformance[C]//Pro⁃ceedingsof5thInternationalSympsiumonParticleIm⁃ageVelocimetry(PIV'03).Busan，Korea，2003.

[2]骆婉珍,郭春雨,吴铁成,苏玉民，基于SPIV的船体附着冰对尾流场影响试验[J].《中国科学》杂志社，2017，27卷，第7期，738~748

[3]张文照,肖昌润,刘巨斌,王冲，潜艇模型尾流场和水动力噪声的测量方法研究[J]，海军工程大学学报，2008年，20卷，6期，56~59

[4]王志博，姚惠之，张楠，指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究[J]，船舶力学，2009年，13卷，第二期，197~202

[5]李茂华，龚杰，三维PIV应用于船舶精细流场测试研究进展[J]，中国舰船研究，2015,10(1):58-67.