阅读说明：本技术 一种用于船艏气泡下扫现象测量的方法及装置 (Method and device for measuring bow bubble sweep phenomenon ) 是由 郭春雨 薛嵘 孙聪 胡健 赵大刚 王于 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于船艏气泡下扫现象测量的方法及装置,拖曳水池的两侧安装拖车轨道,拖车轨道上分别有拖车和辅助小车,造波机安装在拖曳水池一侧,船模和PIV相机通过连接架连接到所述拖车上,PIV相机的镜头对准船模的船艏部位,气泡产生器、浪高仪和PIV激光器安装在所述辅助小车上,PIV激光器对准船模的船艏部位。启动气泡产生器,待微气泡布满拖曳水池表面时停止气泡产生器工作；启动造波机,输入给定试验工况,生成所需波形；当拖车进入匀速段时,PIV系统的PIV相机开始拍摄记录船艏周围气泡场；PIV相机拍摄的照片导入后处理软件中,计算船艏周围气泡绕流场的流场信息。本发明在一定程度上提升了试验的简便性,易于维护,操作简便,使用效率高。(The invention provides a method and a device for measuring the downward sweeping phenomenon of bubbles on a ship bow. Starting the bubble generator, and stopping the bubble generator when micro bubbles are fully distributed on the surface of the towing tank; starting a wave generator, inputting a given test working condition, and generating a required waveform; when the trailer enters a constant-speed section, a PIV camera of the PIV system starts to shoot and record a bubble field around the bow; and (4) importing the pictures shot by the PIV camera into post-processing software, and calculating flow field information of bubbles around the flow field around the bow. The invention improves the test simplicity to a certain extent, is easy to maintain, is simple and convenient to operate and has high use efficiency.)

一种用于船艏气泡下扫现象测量的方法及装置

技术领域

本发明属于船舶水动力学试验技术领域，具体涉及一种用于船艏气泡下扫现象测量的方法及装置。

背景技术

自然状态下，由于波浪破碎和雨水冲击的作用，有一部分空气溶于海水中，所以在靠近海平面的海水中存在气泡层。舰船在航行过程中,由于船艏与波浪相互作用，导致出现旋涡，从而将海洋表面气泡层卷吸到船艏之下，从而形成气泡下扫现象。如果在船底装有声纳部位的下方存在气泡，声波可能会被强烈地破环(反射或吸收)。这种现象多年以来一直影响声学勘探的精确度，至今仍然是一个重要问题。因此对气泡下扫现象的研究具有重大的意义。目前，人们对气泡下扫现象进行试验时，多采用传统的流线分析法进行测量。由于气泡与流线具有截然不同的物理特性，从而在进行流线试验时具有较大的误差，无法准确地测量气泡下扫现象。本发明对传统的流线试验方法进行改进，通过向水池加入气泡的方式实现在水池试验时对气泡下扫现象的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种用于船艏气泡下扫现象测量的方法.

本发明的目的是这样实现的：

一种用于船艏气泡下扫现象的测量方法，具体的实现步骤为：

步骤1.对船模7的船艏表面进行喷漆处理；

步骤2.拖曳水池(1)的两侧安装拖车轨道(11)，拖车轨道(11)上分别有拖车和辅助小车(3)，造波机(2)安装在拖曳水池(1)一侧，其特征在于：船模(7)和PIV相机(9)通过连接架(10)连接到所述拖车上，PIV相机(9)的镜头对准船模(7)的船艏部位，气泡产生器(4)、浪高仪(5)和PIV激光器(6)安装在所述辅助小车(3)上，PIV激光器(6)对准船模(7)的船艏部位，并向船模7内放入砝码，使其吃水、浮态满足试验要求；

步骤3.使用标定装置对PIV系统进行标定处理，对PIV系统的PIV激光器6进行调试；

步骤4.启动气泡产生器4，待微气泡布满拖曳水池表面时停止气泡产生器4工作；启动造波机2，输入给定试验工况，生成所需波形；

步骤5.启动拖车，当拖车进入匀速段时，PIV系统的PIV相机9开始拍摄记录船艏周围气泡场，拖车到达拖曳水池1另一端时，启动刹车系统，停止拖车；

步骤6.更换航速、波高波长、气泡层中气泡大小、厚度，重复步骤4到步骤5的操作，直到完成所有给定试验工况；

步骤7.将PIV系统的PIV相机9拍摄照片导入后处理软件中，计算船艏周围气泡绕流场的流场信息。

本发明的目的还在于提供了一种用于船艏气泡下扫现象测量的装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种用于船艏气泡下扫现象的测量装置，拖曳水池1的两侧安装拖车轨道11，拖车轨道11上分别有拖车和辅助小车3，造波机2安装在拖曳水池1一侧，船模7和PIV相机9通过连接架10连接到所述拖车上，PIV相机9的镜头对准船模7的船艏部位，气泡产生器4、浪高仪5和PIV激光器6安装在所述辅助小车3上，PIV激光器6对准船模7的船艏部位。

所述船模7的船艏部位喷涂橙红色荧光漆。

所述PIV激光器6能在辅助小车3上水平移动。

所述辅助小车3、造波机2、拖车分别与电脑的控制系统连接。

本发明的有益效果在于：本发明采用电解水的方式生成微气泡，再使用微气泡作为PIV测量所用的示踪粒子；使用PIV相机观测船艏气泡下扫现象的同时，再使用PIV后处理软件对船艏周围的流场信息进行测量；该手段可以很好地观测到下扫气泡的运动轨迹，同时还可以省去常规PIV试验需要播撒粒子的过程，在一定程度上提升了试验的简便性，结合其他辅助测量系统可以对船艏周围流场的各种运动特性进行研究；通过对下扫气泡群的观测，有助于理解水中微小气泡的各种特性，具有重要的实验意义；此外，本装置将所有相关仪器安装在拖车或者辅助小车上，使得各个模块便于操作，易于维护，可以方便地对各个部件进行更换与维修；具有操作简便，使用效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为所有试验装置的整体安装图。

图3为造波机和辅助小车局部放大图。

图4为PIV相机观测船模示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明的目的是为了提供一种用于船艏气泡下扫现象的测量方法。

如图1、2所示，本发明包括拖曳水池1、造波机2，气泡产生器4，浪高仪5以及PIV配套设备，包括激光器6和高速相机9。试验所用的船模7和PIV高速相机9通过连接架10连接到拖车系统。气泡产生器4、浪高仪5和PIV激光器6安装在辅助小车3上。辅助小车3和拖车共用一个轨道11，可以通过控制系统在轨道上移动。气泡产生器4共有4组，通过调节电源输出电压值可以控制电解水生成气泡的尺寸。造波机1生成非规则波，通过浪高仪5验证生成波浪的准确性。激光器6和高速相机9组成PIV系统，激光器从试验所用船模7的正前方发射激光，形成高速相机拍摄平面8，照亮具有船艏的一个侧截面，从而使得高速相机9得以观察气泡下扫的状况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于船艏气泡下扫现象的测量方法，操作步骤如下：

第一步.对船模的船艏表面进行喷漆处理；向船模的船艏部位喷涂橙红色荧光漆；此种漆有助于在进行PIV试验时减轻激光的反射现象，使得在后处理时船模与水的边界处流场现象更加精确；

第二步.将船模吊装到拖曳水池船坞内；向船模内放入砝码，使其吃水、浮态等满足试验要求；

第三步.将船模连接到水池拖车连接杆上；

第四步.使用标定装置对PIV系统进行标定处理；

第五步.对PIV的激光系统进行调试；完成试验的前期准备；

第六步.启动电解水装置，产生微气泡；待微气泡布满拖曳水池表面时停止电解装置工作；

第七步.启动水池造波机，输入给定试验工况，生成所需波形；

第八步.启动拖车，开始第一个试验工况；

第九步.等拖车进入匀速段时，PIV测试系统开始拍摄记录船艏周围气泡场；

第十步.拖车到达水池另一端，启动刹车系统，停止拖车；

第十一步.更换航速、波高波长、气泡层中气泡大小、厚度等工况，重复第六步到第十步的操作，直到完成所有给定试验工况；

第十二步.将PIV相机拍摄照片导入后处理软件中，得出船艏周围气泡绕流场的速度、压力等流场信息。

本发明还包括如下的一些特征：

所述气泡产生器包括一对电极和控制电极放电的电源，通过调整电源的输出电压大小，可以控制电解水生成气泡的直径。气泡发生器与控制电源相连接，可以通过调节给定电压值来调节电解水产生气泡的大小，进而调节气泡下扫试验所需的气泡尺度。

所述的PIV设备包括安装在拖车上的高速照相机以及安装在造波机前方位置的激光器。激光器产生与拖车前进方向相同的激光束截面，从而照亮船模的一个侧截面，随后高速相机拍摄记录这个截面的气泡下扫状况。浪高仪用于采集造波机造波引起的波浪的变化情况。

所述的PIV测量系统的高速摄相机由铝合金制连接架与水池拖车相连，此外，高速摄像机与连接架之间还有加强连接件，防止在高速运动时由于支持力不够而发生分离导致损坏仪器。

所述气泡产生器、浪高仪和激光器安装在一个辅助小车上，该小车可以移动位置，从而在水池任意位置产生气泡，加速气泡扩散速度，缩短试验前期准备时间。

所述激光器可以水平移动位置，调整照亮的船模侧面位置，从而可以通过照相机观察不同平面位置处的气泡下扫现象。

所述PIV系统包括安装在拖车侧面的高速相机，以及安装在造波机正前方的激光源。激光从试验所用船模的正前方照亮具有船艏的一个侧截面，从而使得PIV相机得以观察气泡下扫的状况。

所述造波机与控制计算机相连接，从而可以产生船模航行时所经历的不规则波，与船艏相互作用产生气泡下扫现象。

本发明公开了一种用于船艏气泡下扫现象的测量方法。本测试方法适用于拖曳水池，结合气泡生成系统与PIV测试系统测量船艏的气泡下扫现象。所需测试设备包括水池拖车、造波机、气泡产生器、浪高仪和PIV配套设备。所述气泡产生器包括一对电极和控制电极放电的电源，通过调整电源的输出电压大小，可以控制电解水生成气泡的直径，从而产生试验所需的气泡尺寸。所述的PIV设备包括安装在拖车上的高速照相机以及安装在造波机前方位置的激光器。激光器产生与拖车前进方向相同的激光束截面，从而照亮船艏的一个侧截面，高速相机拍摄记录这个截面的气泡下扫状况。拖车、造波机与浪高仪属于拖曳水池适配设备，实现船模在给定波浪工况下的运动。本发明适用于拖曳水池，从而在水池中产生带有气泡层的波浪工况，进而采用PIV与其他辅助测量系统来测量船艏的气泡下扫特性。具有操作简单，使用效率高的特点。