基准流场的设计评估与测量不确定度分析

摘要

不同于宏观水动力量的验证与比对，作为场域分布量的流场特性是以时空变化的速度矢量来表征的，这给了解流场、测量流场、控制与利用流动带来了更加细化复杂的要求。随着以PIV为代表的现代流场测试技术与CFD数值模拟方法的迅速发展，使得当今船舶与海洋工程水动力学研究更加关注流场信息的获取。为从基础的层面，提供流场评估预报手段的标尺，基准流场及其“标准数据”的研究成为了近年来国际水动力学界的前沿基础研究热点。
　　流场与流动是有千差万别的，基准流场应结合不同水动力学问题的关注，而专门设计实施。2008年以来，ITTC(International Towing TankConference，国际拖曳水池大会)和HTA（Hydro-Testing Alliance，（欧洲）水动力学试验联盟）前后启动了船舶与海洋工程水动力学领域的基准流场研究工作，分别初步提出了两维和三维基准流场的设计方案。国内的相关研究工作，仍处于空白。
　　论文选择这一国际船舶与海洋工程水动力学领域前沿基础性课题方向，开展了较系统的独立研究工作。首先，论文引入成熟CFD工具，系统细化拓展了ITTC两维基准流场的设计方案，量化预评估了设计参数对流动特性的影响规律，形成了两维基准流场的设计与PIV流场测量方案;其次，作为参与ITTC精细流场测试专家委员会在研工作的一部分，在国内外首次实施了两维基准流场的PIV测试试验，评估了试验要素对流场品质的量化影响，并与CFD预评估进行分析比对;第三，学习实践了PIV流场测量不确定度分析ITTC推荐规程，并针对流场的空间不均匀特性，创新尝试进行了测量流场局部不确定度分析研究，获得了首批具有量化测量不确定度量值的两维基准流场基准检验数据;最后，基于同样的研究思路，对HTA提出的三维基准流场初步设计方案，进行了CFD预评估，并结合HTA提供的三家试验机构的PIV测试结果的综合分析，给出了三维基准流场设计与PIV测量的修正方案。
　　基准流场的设计评估及其测量不确定度分析，是一项国内尚属空白的前沿基础性工作，涉及并有助于流场测试技术与CFD数值模拟技术。论文比较完整地实现了两维基准流场的设计、PIV流场测试及其测量结果的不确定度分析，获得了具有自主知识产权的基准检验试验数据;对三维基准流场的设计方案也已完成，为后续的试验实施奠定了基础。
　　本文的主要创新点有:
　　(1)基准流场的方案设计，主要是源于研究设计者对流动现象经验性的认识知识;本文系统地引入成熟CFD手段，结合经验认识变化设计参数，针对方案设计要素对流场特性影响规律进行预评估研究，定性与定量地得到了二维和三维基准流场的合理设计方案。
　　(2)为细化评价空间非均匀流场的测试质量，在探索应用PIV流场测量不确定度分析方法的ITTC推荐规程的基础上，本文创新开展了PIV流场局部测量不确定度分析方法的研究，综合评估了二维基准流场的测量结果，丰富拓展了PIV流场测量可靠性度量的评价方法，对提高复杂流场的PIV测试质量有重要的实用价值。
　　(3)论文开展的二维基准流场的基准检验试验、获取的具有测量不确定度分析的结果数据，以及针对三维基准流场的设计与测试方案的修订建议，均是国内外首次开展的前沿基础性工作，相关研究结果将提交纳入2014年ITTC大会的精细流场测试专家委员会的最终报告。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 基准流场在国内外的研究进展

1．2．1 基准流场研究的重要性和设计难点

1．2．2 PIV测试系统在流场测试中的应用现状

1．2．3 基准流场设计中的CFD预评估及其测量结果的不确定度分析

1．3 本文的主要工作和创新点

第二章 基准流场设计预评估的CFD方法

2．1 基本方程

2．2 湍流模型

2．3 控制方程的离散

2．4 离散方程求解

2．5 本章小结

第三章 二维基准流场的设计预评估

3．1 方案设计

3．2 二维基准流场的CFD预评估

3．2．1 评估设置

3．2．2 二维模型预评估分析

3．2．3 三维模型预评估结果

3．2．4 预评估分析

3．3 二维基准流场方案建议

3．4 本章小结

第四章 二维基准流场试验和测量结果分析

4．1 试验条件及参数设置

4．1．1 试验模型

4．1．2 试验设备和模型安装

4．1．3 PIV设备设置

4．1．4 试验工况

4．2 PIV数据处理流程

4．3 平均样本数对测量结果的影响分析

4．3．1 定性分析样本数对测量结果的影响

4．3．2 定量分析样本数对测量结果的影响

4．4 流场空间分辨率对测量结果的影响分析

4．5 模型几何及试验参数对测量结果的影响分析

4．5．1 来流水速对速度偏差的影响

4．5．2 由竖板厚度变化引起的速度偏差

4．5．3 不同流场测试位置速度偏差的影响

4．6 平均流场测量结果的统计分析

4．6．1 4m／s来流速度不同竖板厚度时速度矢量样本统计结果

4．6．2 3m／s来流速度不同竖板厚度时流场样本统计结果

4．6．3 2m／s来流速度不同竖板厚度时流场样本统计结果

4．6．4 速度矢量标准偏差分析

4．7 PIV测量结果与CFD评估结果分析

4．7．1 CFD模型与计算说明

4．7．2 PIV流场测量结果与CFD结果比较

4．8 本章小结

第五章 PIV流场测量不确定度分析的基本方法

5．1 粒子位移算法对位移不确定度的贡献

5．2 峰值锁定效应对位移不确定度的贡献

5．3 透视偏差对位移不确定度的贡献

5．4 空间分辨率对位移不确定度的贡献

5．5 本章小结

第六章 二维基准流场PIV测量结果的不确定度评估

6．1 二维基准流场PIV测试基本参数

6．2 分项不确定度的评估分析

6．2．1 标定：α

6．2．2 粒子图像位移：ΔX

6．2．3 时间间隔：Δt

6．2．4 流场测试：δu

6．3 联合不确定度的评估分析

6．4 不同工况测量结果的不确定度评估

6．5 局部PIV不确定度评估

6．5．1 局部PIV不确定度评估及分析

6．5．2 不确定度源所占比重分析

6．6 本章小结

第七章 对HTA三维基准流场的评估分析与改进建议

7．1 HTA三维基准流场PIV试验方案与结果初步分析

7．1．1 HTA基准流场试验参数

7．1．2 HTA基准流场测量结果特征分析

7．1．3 HTA基准流场PIV测试结果定量分析

7．2 拖曳水池中HTA三维PIV基准流场的CFD预评估

7．2．1 拖曳水池中HTA基准流场的CFD评估设置

7．2．2 拖曳水池中HTA基准流场的CFD结果

7．2．3 拖曳水池中HTA基准流场的CFD评估小结

7．3 循环水槽中HTA基准流场CFD评估分析

7．3．1 两种网格方案的比较

7．3．2 循环水槽和拖曳水池中HTA基准流场CFD评估结果比较

7．3．3 基准流场CFD计算结果与测量结果比较分析

7．4 对HTA三维基准流场试验方案的改进建议

7．4．1 模型及工况建议

7．4．2 改进建议一：增加对流向——垂向截面的测试

7．4．3 改进建议二：模型材质采用有机玻璃

7．5 本章小结

第八章 总结和展望

8．1 全文总结

8．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的学术论文情况

在职学习期间的主要科研工作及获奖情况