●前言
第1章 緒論 1
1.1 船舶繞流場研究的重要性 1
1.1.1 船艏砰擊流場精細測量與研究的意義 1
1.1.2 船舶尾流場精細測量與研究的意義 3
1.2 基於激光的船舶繞流場測量技術與繫統綜述 4
1.2.1 水下激光多普勒測速繫統綜述 4
1.2.2 水下粒子圖像測速繫統綜述 6
1.2.3 船舶尾流場測量技術比較 11
1.3 基於PIV的繞流場測量研究綜述 12
1.3.1 船艏砰擊流場精細測量研究 12
1.3.2 船身繞流場精細測量研究 15
1.4 本書內容 20
參考文獻 21
第2章 船舶繞流場精細測量的試驗繫統與測量方法 29
2.1 PIV測量技術概述 29
2.1.1 示蹤粒子 30
2.1.2 光源與光路 31
2.1.3 相機 32
2.1.4 PIV圖像與流場計算方法 32
2.2 船艏入水砰擊實驗平臺以及TR-PIV測試試驗 34
2.2.1 實驗臺與試驗繫統 35
2.2.2 入水問題中涉及的動態圖像掩膜與圖像預處理 36
2.3 基於TR-PIV/LIF技術的激光診斷繫統 39
2.3.1 LIF技術基本原理 39
2.3.2 TR-PIV/LIF測試繫統 40
2.3.3 TR-PIV和LIF分析方案 42
2.4 船艉流場測量繫統與SPIV測試方法 44
2.4.1 基本試驗設備 44
2.4.2 SPIV測量繫統 44
2.4.3 SPIV測量繫統標定 46
2.4.4 示蹤粒子播撒 48
2.4.5 PIV測速原理、試驗設置和測量流程 49
2.4.6 圖像處理與速度場分析 50
2.4.7 2D平面3方向速度梯度場分析 51
2.5 分析中涉及的速度與湍流特征參數概述 53
2.5.1 速度參數 53
2.5.2 湍流特征參數 53
2.5.3 旋渦特征參數 54
參考文獻 56
第3章 標準流場驗證與試驗不確定度和收斂性研究 59
3.1 PIV流場測量過程中主要誤差源 59
3.1.1 PIV測量試驗相關的多層級誤差源 59
3.1.2 SPIV試驗中PIV測試繫統本身的誤差源 61
3.2 物體入水TR-PIV測試試驗誤差分析 62
3.3 船艉流場測量精度標準流場驗證 65
3.3.1 無結構物均勻流SPIV試驗標準流場驗證研究 65
3.3.2 KCS船SPIV試驗標準流場驗證研究 70
3.4 船舶繞流場測量試驗不確定度與收斂性分析 75
參考文獻 78
第4章 楔形體入水砰擊的流場診斷與TR-PIV分析 80
4.1 實驗測試方案、數值模擬方案和理論解析 80
4.1.1 試驗測試方案 80
4.1.2 數值模擬方案 81
4.1.3 理論解析 81
4.2 楔形體入水砰擊試驗結果與分析 82
4.2.1 楔形體運動響應分析 82
4.2.2 楔形體入水過程細節流場分析 84
4.3 基於N-S方程的壓力重構方案 93
4.3.1 砰擊壓力重構方案 93
4.3.2 壓力重構方案準確性分析 95
4.4 砰擊壓力場和砰擊載荷結果分析 98
4.4.1 砰擊壓力場分析 98
4.4.2 砰擊載荷分析 104
參考文獻 106
第5章 2D船艏入水流場激光診斷與TR-PIV分析 107
5.1 試驗測試方案和數值模擬方法 107
5.1.1 試驗測試方案 107
5.1.2 數值模擬方法 108
5.2 船艏入水過程中宏觀現像分析 109
5.2.1 船艏模型運動響應分析 109
5.2.2 船艏模型入水過程中流動現像分析 111
5.3 船艏入水過程中細節流場分析 114
5.4 船艏入水過程中砰擊壓力重構 124
參考文獻 129
第6章 船舶尾流場2D切面速度分布與湍流特性研究 130
6.1 試驗模型與試驗工況 130
6.1.1 試驗模型、坐標繫統與試驗工況 130
6.1.2 U或V型式船艉部形狀定義 132
6.2 不同航速標稱伴流時均速度場分析 133
6.2.1 伴流場時均速度分布雲圖 133
6.2.2 時均速度場沿展向分布 135
6.2.3 不同半徑範圍內軸向伴流分數分布 135
6.2.4 不同半徑處軸向伴流分數!周向分布 136
6.3 設計工況下標稱伴流時均速度場分析 137
6.3.1 時均速度場分布雲圖 137
6.3.2 時均速度場沿展向分布 140
6.3.3 槳盤面不同半徑處時均速度場分布 141
6.4 標稱伴流瞬態速度場分析 142
6.4.1 瞬態速度場分布雲圖 142
6.4.2 瞬態速度場沿展向分布 145
6.4.3 槳盤面不同半徑處瞬態速度場分布 146
6.5 設計工況下標稱伴流場湍流特性分析 147
6.5.1 湍流脈動速度與湍流度分布 147
6.5.2 湍動能與雷諾應力分布 148
6.6 標稱伴流場湍流各向異性分析 151
6.6.1 湍流各向異性判別方法簡述 151
6.6.2 標稱伴流各向異性分布 153
參考文獻 155
第7章 船舶尾流場3D空間速度和湍流分布特性研究 157
7.1 尾流場的多2D切面CT掃掠式空間重構 157
7.1.1 尾流場多2D切面CT掃掠式重構過程 157
7.1.2 速度場數據光順與過濾 159
7.2 速度場沿軸向、展向和垂向分布 161
7.2.1 速度場分布特性切面選取與劃分 161
7.2.2 軸向伴流場軸向切面分布特性研究 161
7.2.3 軸向伴流場展向切面分布特性研究 163
7.2.4 軸向伴流場垂向切面分布特性研究 166
7.3 尾流場中速度特性3D空間分布 169
7.3.1 軸向速度u/U 3D空間分布 169
7.3.2 展向速度v/U 3D空間分布 170
7.3.3 垂向速度w/U 3D空間分布 171
7.3.4 Y-Z平面速度大小S/U 3D空間分布 172
7.3.5 空間速度大小L/U 3D空間分布 173
7.3.6 平均動能AKE/U 23D空間分布 175
7.4 尾流場中湍流特性3D空間分布 176
7.4.1 雷諾應力3D空間分布 176
7.4.2 湍流脈動速度與湍流度分布 181
7.4.3 湍流強度3D空間分布 182
參考文獻 184
第8章 船舶尾流場的旋渦分布與空間演化特性研究 185
8.1 船舶槳盤面區域的旋渦特性分布 185
8.1.1 槳盤面時間平均旋渦特征分布 185
8.1.2 槳盤面瞬態旋渦特征分布 186
8.2 3D空間尾流場中渦量場沿軸向、展向和垂向分布 187
8.2.1 研究中的軸向、展向和垂向分布切面的選取與劃分 187
8.2.2 船艉不同軸向、展現和垂向切面渦量場分布特性 188
8.3 尾流場中渦結構3D空間分布 190
8.3.1 渦量場3D空間分布 190
8.3.2 旋渦強度、第二不變量Q和Lambda-2 3D空間分布 191
8.3.3 流線3D空間分布 194
8.4 綜合CFD-PIV的尾流場的旋渦空間演化特性研究 195
8.4.1 數值模型與網格劃分 195
8.4.2 CFD數值計算與PIV測量結果對比驗證 197
8.4.3 尾流場旋渦的空間演化特性 199
參考文獻 201
第9章 結論與展望 203
9.1 物體入水過程中的復雜流動現像和砰擊作用機理研究結論與展望 203
9.1.1 對於傳統的楔形體入水問題 203
9.1.2 對於任意邊界船艏入水問題 204
9.2 船舶艉部的流動機理及旋渦特性研究結論與展望 204
索引 207
