水下运动体尾流水面特征的研究进展与应用

综述了国内外水下运动体尾流的水面冷热特征、水力特征和电导率特征的研究进展与应用领域,并给出了作者对有关问题的评论和拓展性思考.研究水下运动体尾流的水面特征,是发展反潜技术中需要解决的关键课题,这方面的研究成果不仅具有重要的学术价值,而且在国防建设中有着迫切和现实的需求.无论是潜艇探测技术还是隐身技术,都应该综合考虑潜艇尾流的水面冷热特征和水力特征及电导率特征.     

温度分层水槽中水下航行体尾流水面热特征实验

温度分层海洋中水下航行体尾流引起的水面热特征是发展红外反潜技术的关键课题.在具有垂直负温度梯度的水槽中,对水下航行体热尾流的浮升过程及其与自由表面的相互作用进行了显示和测量,得到了水下航行体尾流引起的自由表面温度变化规律以及热尾流的浮升图像和其自由表面的红外图像,并在此基础上讨论了航行深度、温度梯度、水面波浪和太阳辐射...     

水下航行体热尾流水面温度特征的研究

采用FLUENT数值仿真和实验模拟的方法,对在温度均匀和温度分层的海水中排放热水的水下航行体的热尾流浮升过程及其与自由表面的相互作用进行了计算和模拟,获得了由水下航行体引起的自由表面的温度变化规律.在此基础上,将热尾流的试验结果与理论数值模拟结果进行了比较.此外,还得到了热尾流的浮升和自由表面的红外图像,为水下航行体探...     

温度分层海洋中水下航行体引起水面特征参数变化规律的研究

温度分层海洋中水下航行体引起水面特征参数的变化规律是发展红外反潜技术的关键课题.基于有限体积法的FLUENT 软件,在具有垂直温度分层的海水中,对排放热水的水下航行体热尾流的浮升过程及其与自由表面的相互作用进行了数值模拟,获得了水下航行体引起的自由表面的温度、密度、速度等特征参数的变化规律,并对温度变化规律进行了实验验证,可为水下航行体的探测提供一定的理论基础.     

潜艇热尾流的浮升扩散规律及海表温度特性

选取1/72龙鲨Ⅱ号核潜艇为研究对象,采用有限体积法建立外流域的三维计算模型,运用动参考系实现尾部螺旋桨高速旋转的仿真。基于该模型,评估下潜深度、航行速度、热尾流喷速、热尾流温度等因素对热尾流浮升扩散规律及海表温度特性的影响。研究表明：1）随着下潜深度和航行速度的增大,海表温度特性的后向延迟距离增大、海表温差减小;2）随着热尾流喷速和热尾流温度的增大,海表温度特性的后向延迟距离减小、海表温差增大;3）增大高温热尾流热容量或减小低温海水热容量均能促使海表温度特性趋于明显。本文结论可为某型号潜艇的红外探测与反演定位提供针对性的参考与借鉴。     

水下运动目标的水面波纹数值模拟及分析

水下运动目标与水体的相互作用会在水面产生开尔文尾迹和伯努利水丘等特定波纹,为机载、星载的雷达光电探测水下运动目标的位置及速度等提供了可能,成为当前国内外研究的重要方向之一。为了研究水下运动目标水面波纹的特点,论文采用三维不可压缩RANS方程,辅以RNG k-湍流模型以及VOF自由面处理方法建立了水下运动目标水面波纹模拟的数学模型,并对水下航行体在不同速度及深度等参数情况下的水面波纹进行模拟,分析了速度及深度等参数与尾迹特征的关系。论文结果对实尺度水下潜艇的海面波纹模拟以及水下潜艇探测技术的研究具有意义。     

基于温度插值技术的潜艇热尾流浮升规律及海面热特征仿真方法研究

热尾流的浮升规律及海面热特征是潜艇红外探测的基础。本文针对海水恒温,且潜深和航速影响较大情况下,排水法难以得到充分发展的海面热尾迹问题,提出基于温度插值技术的潜艇热尾流浮升规律及海面热特征仿真方法。利用FLUENT仿真软件的k-ε流动传热模型和数据插值模块,对比分析了不同航速、排水温度及排水量工况下,排水法和温度插值法得到的海面热特征分布及热尾迹最大温差。结果表明:温度插值法适应性强,可捕捉不同阶段热尾流的瞬时变化,仿真精度基本不受计算域范围的制约,相对误差稳定在19%～29%之间。该方法可为潜艇热尾流的高精度数值预报研究提供有力支撑,为红外探测与反演定位提供参考与借鉴。     

基于重叠网格技术和VOF模型的潜艇热尾流浮升扩散规律的数值与实验研究

研究潜艇热尾流的浮升扩散规律和水面红外特征对红外探潜具有重要意义。以潜艇缩比模型为研究对象,建立了潜艇热尾流三维计算模型。分别使用重叠网格、VOF （Volume of Fluid）模型方法和来流法,对潜艇热尾流的浮升扩散过程进行了数值模拟。分析了潜艇热尾流的浮升扩散规律和温度场特征。使用实验测得的水面红外热像图和热尾流浮升扩散图像对两种仿真方法的精度进行了对比验证。结果表明:基于重叠网格和VOF模型的数值模拟方法精度较高,模拟得到的热尾流最大温度出现时间相差0.2 s,温度偏差为0.003 K,能够很好地模拟潜艇热尾流的浮升扩散和温度分布特性。     

潜艇水动力尾迹与热尾迹耦合作用的数值模拟

采用FLUENT中的VOF(Volume of Fluid Model)模型,对潜艇在海水有无温度梯度、有无螺旋桨转动和排放冷却水的情况下进行数值模拟,得到了潜艇在不同情况下冷却水的浮升规律,并分析了海面和其它截面的温度分布.计算结果表明:在温度均匀的海水中,潜艇静止悬浮比运动时热尾流浮升效果明显,且运动时螺旋桨的转动可加快热尾流的浮升;温度分层海水中,螺旋桨的转动作用可以把海水下层的冷水搅动翻滚至上层从而加剧了海面冷尾迹的形成.     

海流对水下航行体垂直出水运动影响研究

针对恒定海流解算其对航行体扰动而存在较大误差的问题,依据海流流速和流向随水深变化的特点,建立了分层海流数学模型,结合航行体水中运动数学模型,采用计算不同流层切片对航行体产生的阻力、升力、侧向力及其力矩的方法,仿真分析了海流对航行体弹道参数的影响。仿真结果表明,海流流速越大,弹道参数受扰动越严重。海流流向对航行体纵向位移影响较大,对航行体横向位移影响较小。     

水下航行体自由表面波浪尾迹红外特征及探测

水下航行体在航行过程中,会在海面形成特性波纹尾迹,可利用这种尾迹实现红外探潜。根据势流理论和"面元"法,模拟了水下航行体在海面上产生的波浪尾迹,采用射线跟踪算法建立了表面尾迹的红外成像模型,综合考虑海面环境因素的影响,研究了多种航速和潜深下自由表面尾迹不同探测方位角的红外成像特征。结果表明:低航速下尾迹红外特征主要表现为波形较小的横波特征,高航速下尾迹表现为较为明显的纵波特征;在航行过程中,可通过控制航速和潜深来有效规避海面特性波纹的产生;探测方位位于航行体航向方向更易发现尾迹波形特征;利用自由表面尾迹波形红外特征进行探潜,主要适用于潜艇高航速航行或通气管航行状态及其他潜深不大的情况。研究结果对红外探潜及潜艇隐蔽性航行具有重要的指导意义。     

粗糙海面上舰船Kelvin尾迹的电磁散射仿真

基于点源扰动方法建立了舰船的Kelvin尾迹模型, 模拟了不同船速下的Kelvin尾迹.实际中, 舰船尾迹除了受到舰船自身参数影响外, 还会受到风驱海浪的调制.为了建立更为符合实际的Kelvin尾迹模型, 借助PM(Pierson-Moscowitz)海谱生成粗糙海面, 将其与Kelvin尾迹模型进行线性叠加后, 得到了粗糙海面上舰船尾迹.在该复合模型基础上, 利用物理光学法获得了不同入射情况下的单站、双站的雷达散射截面, 实现了海面舰船尾迹电磁散射的模拟仿真.这一过程的实现, 有利于更好地模拟舰船尾迹在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)中的成像仿真, 同时为SAR成像中舰船尾迹以及舰船自身的识别奠定了基础.     

基于PANS方法的水下热射流数值仿真与试验验证

随着水下热射流的浮升,其动量逐渐衰减进而演变为羽流,采用常规的雷诺时均方法进行模拟容易出现涡粘过大导致仿真结果失真的问题.针对这一问题,文中以水下热射流出口为研究对象,运用PANS (Partially-Averaged Navier-Stokes)方法改进了水下热射流的计算模型,对其在静止和运动工况下的浮升扩散过程进...     

螺旋桨飞机尾流红外抑制数值模拟研究

碳颗粒群抑制尾流红外辐射是红外隐身技术重要的课题之一。以计算流体力学软件Fluent为平台,对碳颗粒群抑制某型螺旋桨飞机尾流红外辐射开展数值模拟研究。采用射线踪迹法对红外辐射传输进行计算,通过对比红外辐射强度,总结出适合该型螺旋桨飞机的颗粒喷射速度、喷射量等规律,为下一步开展实验研究、方案设计提供参考。     

亚声速球/柱尾流对激光传输影响的数值模拟

采用大涡模拟方法计算了来流速度为0.4 Ma情况下球/柱形结构附近的流场,根据密度数据计算了光程差及气动相屏,并研究了尾流对激光传输的影响。结果表明:光程差空间均方根的时间平均值随发射角增大而增大,发射角从120增加到148时,其数值从0.11 m增加到0.28 m;光程差空间均方根随时间变化剧烈,发射角为148时,其时间均方根可达0.04 m;球/柱尾流对激光传输有很大影响,发射角为148情况下,Strehl比的时间平均值为0.33,并且Strehl比的时间平均值随发射角的增大而减小,发射角从120增加到148过程中,Strehl比的时间平均值减小了59%;Strehl比随时间变化剧烈,其时间均方根大于0.05。     

The simulation of the SAR image of a ship wake

A computer simulation of L-band SAR (synthetic aperture radar) images of surface-ship wakes is described, and the simulation results are compared to actual Seasat, satellite-borne SAR imagery. The model used in the simulation accounts for both the disturbance produced in the water by the moving ship and the influence of the background sea. The radar scatter from the wake is modeled using the Bragg mechanism. A two-scale model of the sea surface is employed in which it is assumed that the small-wavelength Bragg waves are modulated by the larger-scale ambient sea and wake fluctuations. The larger-scale fluctuations are important because they can alter the local angle of incidence and thus cause a tilt modulation in the scattering coefficient. Several components of the wake are modeled: the ambient waves, the Kelvin wake, and the turbulent wake. The model can produce long turbulent wakes, which may be bright or dark, depending on the geometry of the ship, radar, and wind, and it can produce Kelvin wakes     

Three-dimensional derivation of the electrodynamic jump conditions and momentum-energy laws at a moving boundary

The purpose of this paper is to set forth a comprehensive three-dimensional derivation of the electromagnetic jump conditions at a moving boundary. Also presented are corresponding derivations for the electromagnetic surface traction and power transfer formulas. The derivations are based on a variation of an old technique which dates back to Lorentz' introduction of kinematic axioms for electrodynamics. The surface of electromagnetic discontinuity is allowed to move and deform in an arbitrary manner. In addition to the Helmholtz vector-flux theorem which Lorentz employed, two kinematic theorems are utilized in conjunction with Maxwell's equations. Surface charge and surface current are retained in the derivation. These have a marked effect on the current boundary condition and on the surface traction and power transfer formulas. A clear distinction is made between the material velocity and the abstract velocity symbol appearing in the Lorentz integral axioms. New modifications based on this distinction permit derivation of the boundary conditions in a general form applicable to any moving surface of electromagnetic discontinuity, irrespective of the ambient motion of the material medium.