船舶工程学院船模水池实验室

1 实验室概况

哈尔滨工程大学船模水池实验室源于1953。建于1987年，是船舶工程与海洋工程流体力学教学和科研实验基地，国际船模水池会议（ITTC）正式成员单位，部级重点实验室。包括水池主体、水池拖车、三维造波机（丹麦）、四自由度适航仪（日本）等大型设备，固定资产二千余万元。

现船模水池实验室成员全职教师7人，兼职教师5人，其中有教授1人，副教授3人，高级实验师1人，实验师1人，讲师1人，具有博士学位4人。承担过国内外各类实验，积累了丰富的实验经验。近年来船模水池实验室发表学术论文70余篇，其中40余篇SCI检索、EI检索；23项国家创新专利；3项软件著作权；国防科技进步一等奖1项。

师资队伍：

图1 郭春雨教授

郭春雨：1981年生，哈尔滨工程大学船舶工程学院副院长，教授，博导。2005年留校任教，2009年作为主要参与人成功组织实施申报“船舶与海洋工程国家级实验教学示范中心”及国家级虚拟仿真中心的申报，并获得成功，成为国内高校船海领域唯一的“国家级实验教学示范中心”，依托实验中心现有人员成立“船舶与海洋工程实验技术研究团队”，成为船舶工程学院五个基础团队之一，入选“2014年哈尔滨工程大学青年学术骨干支持计划”。2012-2014年承担了国内首艘三体舰船的研制工作中的实验研究工作，开发出具有完全自主知识产权的“六自由度舰船运动及阻力测量装置”，突破了三体舰船斜浪工况下的关键实验技术难点，打破国外在三体舰船运动性能测试设备方面的技术封锁，为国家高性能船的优化设计提供实验技术支撑，为国家近海岸防御做成了突出贡献，2014年12月因负责此项目的实验研究工作取得的成绩，获得“国防科技进步一等奖”。主要研究方向：船舶推进与节能、流体力学实验技术等。近年来培养博士研究生9人，硕士研究生36人，指导本科毕业设计40余人。

图2 周广利副教授

周广利：1969年生，哈尔滨工程大学船舶工程学院，副教授，工学博士，硕士研究生导师。曾工作单位：黑龙江省水利冲填处、黑龙江水运规划设计院，2001年在校任教至今，是船舶工程学院基础研究团队“船舶与海洋工程实验技术研究团队”的核心成员之一。自任教以来，一直致力于船舶水动力性能方面的教学与科研活动，在多体船型水动力性能及船舶模型水动力试验技术研究方面具有较深造诣。主持或参与完成了国家、部委及其他院所企业横向课题等科研任务数十项，发表学术论文三十余篇，申请发明专利十余项。作为主持或主要参加人，承担和完成了多项高性能新船型水动力性能研究及船型优化任务，参与完成了我国首艘三体舰船研制中的水动力分析预报及模型实验研究工作，解决了一些关键基础技术及实验技术难点，为该型高性能船舶的研发设计提供技术支撑，2012年12月获得“国防科技进步二等奖”。教学方面，承担和完成了多个校级教改项目并获奖，2012-2014年度连续获评哈尔滨工程大学本科教学优秀主讲教师及优秀实验课程；2012-2016年，指导及组织多人次参加国内外创新设计制作大赛，指导学生获得“全国海洋航行器设计与制作大赛”等赛事特、一、二等奖十余项；2005-2006年度获评哈尔滨工程大学优秀班主任。主要研究方向：船舶阻力理论与船型优化、高性能船舶水动力学研究、船舶水动力模型实验技术等。

图3 于凯副教授

于凯：男，1974.8.8，副教授，从事舰船总体仿真设计研究与船舶推进技术与节能，近三年培养硕士生6人，发表论文10余篇，申请与授权专利5项，指导学生获得多项全国航行器设计与制作大赛特等和一等奖。

 图4 李凤来副教授

李凤来：1952年12月生，副教授。1980年8月参与哈尔滨船舶工程学院舰船设计与制造专业毕业并留校工作。参加完成了我校循环水槽和船模水池两大实验室建设。主要研究方向为船舶性能实验技术、海洋可再生能源技术及应用工程。海洋工程学会第3、4届海洋能专业委员会委员。工作期间，主持完成了国家“八五、九五”重点科技攻关科研项目以及国家九五“863”科研项目，参与创建和发展了我校海洋可再生能源研究领域。参加完成了“750一型、二型潜器”的试验和设计项目。“用于潮流能转换的直叶式自适应变螺距水轮机”“程序控制伺服驱动叶片流体动能转换装置”“三体消波滑行艇”已获国家发明专利。

 

图5 赵大刚讲师

赵大刚：讲师，1986年生，研究方向为船舶推进与节能技术，船舶流体力学试验技术。近年来参与工信部高技术项目、国家自然科学基金、总装预研基金等项目十余个，在国家级刊物上发表论文10余篇，参与撰写发明专利4项。指导大学生科技创新，率学生参加全国航行器设计与制作大赛获得一等奖2项、二等奖4项。

图6 由世洲实验师

    由世洲：职称：实验师；专业：工业电气及其自动化；方向：流体实验及其测量技术。在实验仪器设备、信号处理、干扰信号屏蔽等方面有很高的造诣，参与过众多水动力学试验，具有丰富的水动力学试验经验。

2 实验室仪器设备

2.1 水池主体

长*宽*深：108m*7m*3.5m

图7 水池主体

2.2 拖车系统

稳速范围：0.1-6.5m/s，精度：0.1%

图8 拖车系统

2.3 造波机

可造三维规则波和不规则波，用于研究耐波性和波浪载荷。

图9 造波机

2.4 四自由度适航仪

    可用于船舶阻力试验、自航试验、波浪中运动试验等。

图10 四自由度适航仪

2.5 自航仪

测量螺旋桨的推力和扭矩，可用于螺旋桨敞水试验和船舶自航试验。

图11 自航仪

2.6 转动惯量架

该装置用于测量船模重量、重心、惯性矩。是测量船模在波浪中运动的最重要的部分。

图12 转动惯量架

2.7 旋转动力仪

该装置可以提供50°的舵角，可以用于一些特殊推进实验，如吊舱推进器性能实验。

图13 旋转动力仪

2.8 粒子图像测速仪（PIV）

       该装置可以测量船模的精细流场，有助于研究船舶的尺度效应和节能附体的节能原理以及其他研究用途。

图14 粒子图像测速仪（PIV）

2.9 敞水动力仪

       该装置用于进行螺旋桨敞水实验，流线型的舵体可以尽量减小舵体对螺旋桨尾流场的影响，该装置不仅适用于单个螺旋桨，而且适用于导管螺旋桨、对转桨、桨舵干扰等敞水研究。

图15 敞水动力仪

2.10固模架

该装置适用于不带自由度的模型性能测量实验，主要功能是连接模型和拖车。

图16 固模架

2.11 船模水池仿真实验室

配有5台工作站，可处理千万级别网格的计算模型。

3 典型试验项目

3.1 船模快速性试验

船舶快速性是指在一定的载荷条件下，以给定的主机功率所能达到的航速大小，或者是在满足设计航速要求的条件下节省主机功率的多少。进行船模快速性试验的目的是：

（1）预报实船在给定主机功率下的最大航速，或者要达到的设计航速所需的主机功率。这通常是产品设计中的一项重要内容；

（2）选择优良船型，以达到最小船体阻力，提高航速（或节省功率）的目的；

（3）选择性能良好的螺旋桨，是它与船体主机相配合，达到提高推进效率节省功率（或提高航速）的目的；

（4）选择附体的形状和安装位置；

（5）配合阻力理论和螺旋桨理论的发展而进行的试验研究。

为了实现上述目的，在船模快速性试验中应有的基本实验项目为：船模阻力试验、螺旋桨模型的敞水试验和船模自航试验。有时还需要进行一些特殊的试验项目，如：波形测量试验、尾流流场测量试验、流线显示试验、压力分布测量试验以及螺旋桨叶片水动力测量试验等。

3.1.1 船模阻力试验

在拖曳水池中进行静水船模阻力试验的目的有：

（1）   预报实船在指定航速时所需有效功率；

（2）   比较各种船型方案，优选线性；

（3）   进行系列试验以分析船形各特征量或局部形状对阻力影响的规律，绘制图谱以供估算船体阻力之用

（4）   进行系列试验以分析水深或航道宽度对船阻力的影响规律

（5）   分析各阻力组成部分的变化规律以及尺寸效应。

图17 船模阻力试验

3.1.2 螺旋桨敞水试验

在拖曳水池中用螺旋桨模型单独在静水条件下进行的的性能试验称为螺旋桨敞水试验。其目的如下：

（1）   配合自航试验分析船舶推进的各种效率成分，并预估实船推进性能；

（2）   分析比较各种螺旋桨设计方案的优劣，选择性能最佳的螺旋桨；

（3）   进行螺旋桨系列试验，将其结果综合绘制成图谱，供设计螺旋桨之用；

（4）   根据螺旋桨试验结果，进行螺旋桨理论的验证，分析几何参数对螺旋桨性能的影响规律。

图18 螺旋桨敞水试验

3.1.3 船模自航试验

试验目的：

（1） 预报实船推进性能，即通过模型试验推算出实船主机功率、转速和航速之间的关系，估算出实船在额定功率条件下可以达到的最大航速；

（2） 判断螺旋桨、主机、船体三者之间配合是否良好，确定船在各种航速时相应的推进效率；

（3）根据试验结果分析研究各种效率成分，研究船、桨、舵相互影响。

图19 船模自航试验

3.2 船模耐波性试验

船模耐波性试验是在模拟海浪的水面上，有时还要加上风和水流联合作用下进行船模在风浪中性能的研究。进行船模耐波性试验的目的是多种多样的，一般有：

（1）预报船舶在特定风浪条件下的相应特性，即预报船舶在海浪中的运动和失速，以评价船舶在波浪中的耐波性；

（2）试验研究船型各几何特征对船舶耐波性的影响，设计有优良耐波性的船型；

（3）试验研究各种减摇装置的效能，以提供有效的减摇装置设计；

（4）试验研究船舶在波浪上的外力作用，为结构强度的设计提供依据；

（5）提供船舶耐波性理论计算所需要的数据和资料，如运动微分方程式中各项系数的试验确定、检验和修正耐波性理论中的假设和结论；

（6）开展船舶在波浪中的操纵性、系泊性能和倾覆机理的研究；

（7）其它。

由于船模耐波性试验内容比较广泛，因此针对试验目的不同而有相应的试验方法，最常用的实验项目有规则波浪中的耐波性试验、不规则波浪中的耐波性试验、横摇阻尼系数和附连水质量惯性矩的测定、波浪中的失速试验等。

图20 船模耐波性试验

3.3 流场测量试验

粒子图像测速技术(PIV)是一个成组性实验室技术，即从数字化流体图像部分的粒子位移图提取速度场。速度可以通过交叉相关或跟踪单个的示踪粒子得到。最先进的PIV系统采用数码照相技术，应用激光照明和高速计算机进行数据处理。通过与其他测速技术（如激光多普勒测速系统等）比较，粒子图像测速技术(PIV)的优势是可以同时测量包括漩涡结构、流动分离、雷诺应力、湍流特性和表面二维扩散在内的复杂流场研究中的完整速度场。像PIV这样强大的试验测试技术，可以作为提高理论计算代表性工具和在现有的模型存在不足或缺少模型的基础上用于验证模型或作为发展新的理论的指导工具。

实验室依托国际先进PIV测量系统提供：

（1）舰船标称伴流场测量；

（2）吊舱推进器时均绕流场测量；

（3）敞水螺旋桨时均流场测量；

（4）船舶附体绕流场测量；

（5）水动力节能装置绕流场测量；

（6）潜艇绕流场测量；

（7）舰船、科考船声呐气泡流测量；

（8）舵体等翼型流场测量；

（9）喷水推进器喷口流场测量；

（10）海洋结构物水下部位精细流场测量。

图21 PIV系统测量流场

4 研究方向

4.1 船舶阻力与优化

实验室多年来一直从事着各类船舶（尤其是高性能船）快速性能分析预报及船型优化方面的研究工作，在一些相关领域研究方面处于国内先进水平，自主研发了实用的船体阻力计算与应用软件。实验室具有较丰富的从事单体和多体船型水动力性能预报、船型优化等方面的研究经验，承担过多种实用单、双、三体高性能船型的相关辅助设计研发项目，并取得良好效果，受到业内好评，具有丰富的完成单体和多体船型水动力学试验方面的经验，目前实验室承担着多项高性能船水动力性能方面的研究工作。

图22 阻力优化

4.2 船舶附加水动力节能装置设计

       船舶水动力节能装置由于不需要对船舶线型进行改造，只是通过改变桨前、桨后来流等方式获得附加推力或提高螺旋桨推进效率，方便、简单而且收回成本快，实验室一直致力于船水动力节能装置研究，结合粒子成像测速技术形成了一套专有的节能附体设计方法，下面是实验室为国内研究所、船厂设计的水动力节能装置。

图23 节能装置

4.3 破冰船快速性研究

研究内容：

（1）冰摩阻力理论预报方法研究；

（2）冰桨流相互作用下推进性能理论预报方法研究；

（3）船桨匹配特性理论分析研究。

在阻力研究方面，采用试验方法和数值模拟方法对冰水混合物中航行工况中船舶航行性能进行分析，借鉴海洋平台结构物与冰作用理论，结合Croasdale三维理论模型，Frederking-Timco三维理论模型等，完善冰区船舶阻力性能理论预报经验公式。在冰桨流研究方面，合理的改进的冰-桨接触模型，以面元法理论为基础，预报出水动力载荷和冰载荷对桨叶作用的合力。在船桨匹配方面，应用LS-DYNA动力分析软件模拟极地航行船在碎冰航行状态下船桨匹配特性，在冰摩阻力理论预报研究基础上，分析不同碎冰尺寸分布和密集度时的船桨匹配特性，自主研发一套冰水池自航试验用极地船吊舱推进器动力仪。

图24 冰区船研究

4.4 喷水推进器

喷水推进器兼具推进和操纵功能，高速航行时推进效率高，装置可靠性好，环境适应性强，广泛应用于多种高性能船舶。实验室是国内最早从事喷水推进技术研究的单位之一，参与若干我国喷水推进相关的主要工程项目，具备先进的技术储备和试验条件。

图25 喷水推进器

4.5 吊舱推进器

吊舱推进器作为电力推进方式的杰出代表，集推进和控制功能于一体布置于船体外部，对于优化船体型线设计，改善舱容布置和提高船舶推进性能均具有重要作用。实验室从事各型吊舱推进器相关水动力性能计算和试验设备研究多年，具有丰富的设计经验和熟练的试验手段。

图26 吊舱推进器

4.6 仿生推进器

    仿生推进具有广泛的应用领域：

（1）要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或者承载空间有限、不能加载太多能源的场合；

（2）要求机动性能高的场合，如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务；

（3）海洋生物观察：常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用微小型机器鱼有望解决这一问题；

（4）海底勘探及海洋救捞等，采用仿生推进方式可以很容易地进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规潜器所不能完成的作业任务；

（5）军用方面：由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐藏，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动性灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦查，发现敌方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。

（6）在娱乐方面，目前新的智能机器鱼技术正在越来越多地应用于玩具制造业。

4.7 仿生水翼

仿生水翼作为新型水翼系列的重要一员一直拥有良好的环境适应性及升力曲线平滑性，水翼在不均匀来流、振动、变攻角运动中有优异的表现。我实验组经多年开发从仿生水翼到仿生水翼变形螺旋桨都有优秀的成果。在新型螺旋桨开发、特种仿生水翼上均有良好的发展前景。结合螺旋桨设计理论，对合适工况下的螺旋桨进行再开发，获得新型特种螺旋桨。运用成熟CFD计算平台，获得新型特种螺旋桨各方面性能，用以指导新型螺旋桨工程使用方向。最终加工桨模，进行螺旋桨敞水实验，验证CFD计算结果，获得可靠新型特种螺旋桨。

图27 仿生水翼

4.8 精细流场测量

    流场细节的测量及精确获得能将人肉眼根本不可能观察到的现象过程详细记录下来，并具有大量的物理场信息，通过科学人员的反复观察分析，从而形成更为有效的改进和设计。流场测量试验基于PIV技术基本原理，在待测流场中投入比重适当且跟随性好的示踪粒子，以示踪粒子运动速度代表其所在流场内相应位置处流体质点的运动速度。应用激光或自然光照射流场中的测试区域，使用CCD等摄像设备获取示踪粒子的运动图像，记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，并对拍摄到的连续两幅PIV粒子图像进行分析，识别代替流体质点的示踪粒子位移，由此位移和拍摄粒子图像的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并分析出丰富的流场空间结构以及流动特性。

 流场测量

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