通过先进的精细流场测量设备进行船舶各个区域部分的精细流场测量研究，以微观流场角度来认识与深入理解船身各区域的流动分布特征、流动分离、湍流特性、漩涡结构的空间分布等宏观力学性能变化的内在流体本质因素是形成基于流场的船舶新设计方法与基于流动机理分析的船舶相关性能优化的基础，具有十分重要的意义。本书基于粒子图像测试技术，应用精细流场测量设备，对船舶船艏、船艉的流动机理进行了系统的研究与分析。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 船舶绕流场研究的重要性 1
1.1.1 船艏砰击流场精细测量与研究的意义 1
1.1.2 船舶尾流场精细测量与研究的意义 3
1.2 基于激光的船舶绕流场测量技术与系统综述 4
1.2.1 水下激光多普勒测速系统综述 4
1.2.2 水下粒子图像测速系统综述 6
1.2.3 船舶尾流场测量技术比较 11
1.3 基于PIV的绕流场测量研究综述 12
1.3.1 船艏砰击流场精细测量研究 12
1.3.2 船身绕流场精细测量研究 15
1.4 本书内容 20
参考文献 21
第2章 船舶绕流场精细测量的试验系统与测量方法 29
2.1 PIV测量技术概述 29
2.1.1 示踪粒子 30
2.1.2 光源与光路 31
2.1.3 相机 32
2.1.4 PIV图像与流场计算方法 32
2.2 船艏入水砰击实验平台以及TR-PIV测试试验 34
2.2.1 实验台与试验系统 35
2.2.2 入水问题中涉及的动态图像掩膜与图像预处理 36
2.3 基于TR-PIV/LIF技术的激光诊断系统 39
2.3.1 LIF技术基本原理 39
2.3.2 TR-PIV/LIF测试系统 40
2.3.3 TR-PIV和LIF分析方案 42
2.4 船艉流场测量系统与SPIV测试方法 44
2.4.1 基本试验设备 44
2.4.2 SPIV测量系统 44
2.4.3 SPIV测量系统标定 46
2.4.4 示踪粒子播撒 48
2.4.5 PIV测速原理、试验设置和测量流程 49
2.4.6 图像处理与速度场分析 50
2.4.7 2D平面3方向速度梯度场分析 51
2.5 分析中涉及的速度与湍流特征参数概述 53
2.5.1 速度参数 53
2.5.2 湍流特征参数 53
2.5.3 旋涡特征参数 54
参考文献 56
第3章 标准流场验证与试验不确定度和收敛性研究 59
3.1 PIV流场测量过程中主要误差源 59
3.1.1 PIV测量试验相关的多层级误差源 59
3.1.2 SPIV试验中PIV测试系统本身的误差源 61
3.2 物体入水TR-PIV测试试验误差分析 62
3.3 船艉流场测量精度标准流场验证 65
3.3.1 无结构物均匀流SPIV试验标准流场验证研究 65
3.3.2 KCS船SPIV试验标准流场验证研究 70
3.4 船舶绕流场测量试验不确定度与收敛性分析 75
参考文献 78
第4章 楔形体入水砰击的流场诊断与TR-PIV分析 80
4.1 实验测试方案、数值模拟方案和理论解析 80
4.1.1 试验测试方案 80
4.1.2 数值模拟方案 81
4.1.3 理论解析 81
4.2 楔形体入水砰击试验结果与分析 82
4.2.1 楔形体运动响应分析 82
4.2.2 楔形体入水过程细节流场分析 84
4.3 基于N-S方程的压力重构方案 93
4.3.1 砰击压力重构方案 93
4.3.2 压力重构方案准确性分析 95
4.4 砰击压力场和砰击载荷结果分析 98
4.4.1 砰击压力场分析 98
4.4.2 砰击载荷分析 104
参考文献 106
第5章 2D船艏入水流场激光诊断与TR-PIV分析 107
5.1 试验测试方案和数值模拟方法 107
5.1.1 试验测试方案 107
5.1.2 数值模拟方法 108
5.2 船艏入水过程中宏观现象分析 109
5.2.1 船艏模型运动响应分析 109
5.2.2 船艏模型入水过程中流动现象分析 111
5.3 船艏入水过程中细节流场分析 114
5.4 船艏入水过程中砰击压力重构 124
参考文献 129
第6章 船舶尾流场2D切面速度分布与湍流特性研究 130
6.1 试验模型与试验工况 130
6.1.1 试验模型、坐标系统与试验工况 130
6.1.2 U或V型式船艉部形状定义 132
6.2 不同航速标称伴流时均速度场分析 133
6.2.1 伴流场时均速度分布云图 133
6.2.2 时均速度场沿展向分布 135
6.2.3 不同半径范围内轴向伴流分数分布 135
6.2.4 不同半径处轴向伴流分数!周向分布 136
6.3 设计工况下标称伴流时均速度场分析 137
6.3.1 时均速度场分布云图 137
6.3.2 时均速度场沿展向分布 140
6.3.3 桨盘面不同半径处时均速度场分布 141
6.4 标称伴流瞬态速度场分析 142
6.4.1 瞬态速度场分布云图 142
6.4.2 瞬态速度场沿展向分布 145
6.4.3 桨盘面不同半径处瞬态速度场分布 146
6.5 设计工况下标称伴流场湍流特性分析 147
6.5.1 湍流脉动速度与湍流度分布 147
6.5.2 湍动能与雷诺应力分布 148
6.6 标称伴流场湍流各向异性分析 151
6.6.1 湍流各向异性判别方法简述 151
6.6.2 标称伴流各向异性分布 153
参考文献 155
第7章 船舶尾流场3D空间速度和湍流分布特性研究 157
7.1 尾流场的多2D切面CT扫掠式空间重构 157
7.1.1 尾流场多2D切面CT扫掠式重构过程 157
7.1.2 速度场数据光顺与过滤 159
7.2 速度场沿轴向、展向和垂向分布 161
7.2.1 速度场分布特性切面选取与划分 161
7.2.2 轴向伴流场轴向切面分布特性研究 161
7.2.3 轴向伴流场展向切面分布特性研究 163
7.2.4 轴向伴流场垂向切面分布特性研究 166
7.3 尾流场中速度特性3D空间分布 169
7.3.1 轴向速度u=U 3D空间分布 169
7.3.2 展向速度v=U 3D空间分布 170
7.3.3 垂向速度w=U 3D空间分布 171
7.3.4 Y-Z平面速度大小S=U 3D空间分布 172
7.3.5 空间速度大小L=U 3D空间分布 173
7.3.6 平均动能AKE/U 23D空间分布 175
7.4 尾流场中湍流特性3D空间分布 176
7.4.1 雷诺应力3D空间分布 176
7.4.2 湍流脉动速度与湍流度分布 181
7.4.3 湍流强度3D空间分布 182
参考文献 184
第8章 船舶尾流场的旋涡分布与空间演化特性研究 185
8.1 船舶桨盘面区域的旋涡特性分布 185
8.1.1 桨盘面时间平均旋涡特征分布 185
8.1.2 桨盘面瞬态旋涡特征分布 186
8.2 3D空间尾流场中涡量场沿轴向、展向和垂向分布 187
8.2.1 研究中的轴向、展向和垂向分布切面的选取与划分 187
8.2.2 船艉不同轴向、展现和垂向切面涡量场分布特性 188
8.3 尾流场中涡结构3D空间分布 190
8.3.1 涡量场3D空间分布 190
8.3.2 旋涡强度、第二不变量Q和Lambda-2 3D空间分布 191
8.3.3 流线3D空间分布 194
8.4 综合CFD-PIV的尾流场的旋涡空间演化特性研究 195
8.4.1 数值模型与网格划分 195
8.4.2 CFD数值计算与PIV测量结果对比验证 197
8.4.3 尾流场旋涡的空间演化特性 199
参考文献 201
第9章 结论与展望 203
9.1 物体入水过程中的复杂流动现象和砰击作用机理研究结论与展望 203
9.1.1 对于传统的楔形体入水问题 203
9.1.2 对于任意边界船艏入水问题 204
9.2 船舶艉部的流动机理及旋涡特性研究结论与展望 204
索引 207
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