潛艇熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性

張旭升，郭 亮，胡日查，常雯娟

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潛艇熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性

張旭升，郭 亮，胡日查，常雯娟

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

選取1/72龍鯊Ⅱ號核潛艇為研究對象，采用有限體積法建立外流域的三維計算模型，運用動參考系實現尾部螺旋槳高速旋轉的仿真。基于該模型，評估下潛深度、航行速度、熱尾流噴速、熱尾流溫度等因素對熱尾流浮升擴散規律及海表溫度特性的影響。研究表明：1）隨著下潛深度和航行速度的增大，海表溫度特性的后向延遲距離增大、海表溫差減小；2）隨著熱尾流噴速和熱尾流溫度的增大，海表溫度特性的后向延遲距離減小、海表溫差增大；3）增大高溫熱尾流熱容量或減小低溫海水熱容量均能促使海表溫度特性趨于明顯。本文結論可為某型號潛艇的紅外探測與反演定位提供針對性的參考與借鑒。

熱尾流；浮升擴散規律；海表溫度特性；有限體積法；紅外探測

0 引言

在現代化海戰中，潛艇承擔著隱蔽、偵查、突襲敵方海上作戰單元的重要角色，是具有“航母獵手”稱號的關鍵戰略性武器，因此世界各國已著重開展潛艇與反潛技術的研究。依據探測原理不同，反潛方式可分為聲納探測[1-2]、可見光探測[3-4]、紅外探測[5-7]、電磁探測[4,7]等。隨著機械制造精度與消磁降噪技術的進步，以聲納探測為主、非聲探測為輔的聯合式探測將成為反潛技術發展的必然趨勢[5]。在非聲探測領域，紅外探測具有全天候工作、抗干擾能力強、快速實時成像、易于配合使用等特點[6-7]，是未來反潛技術的重要研究方向。

張健等[8-9]搭建了拖行水下航行器的熱尾流溫度測量系統，獲得了溫度分層水池中熱尾流的溫度分布規律及主次影響因素。吳猛猛等[10-11]基于上述熱尾流溫度測試系統，通過實驗仿真相結合的方式研究了橢圓體熱尾流浮升-摻混-衰減全過程的浮升擴散規律和水面溫度特征。陳伯義等[12]探討了海水的垂直溫度分布和有無氣泡等因素對潛艇熱尾流的浮升擴散軌跡和水面冷熱特征的影響。Chen等[13-14]開展了水下航行體冷/熱尾流浮升軌跡及表面溫差信號的研究，實現了仿真計算結果與紅外相機實測數據的基本一致。張昊春等[15]建立了簡化水下航行體熱尾流的二維計算模型，分析了熱尾流的浮升軌跡和溫度衰減等規律。戴天奇等[16]基于動網格技術建立了潛艇熱尾流的二維計算模型。該方法能夠更加全面、準確地捕獲熱尾流流動-傳熱過程的瞬變特征。

不難發現，上述各文獻在熱尾流浮升擴散規律及海表溫度特性的研究過程中存在如下簡化：1）受計算資源與計算效率的限制，采用二維仿真計算近似代替三維；2）采用橢圓體等簡化幾何模型代替流線型潛艇，忽略艇體輪廓對外流場的影響；3）未考慮潛艇尾部螺旋槳的高速旋轉，造成外流場湍流擾動項不完備。鑒于上述原因，本文選取1/72龍鯊Ⅱ號核潛艇為研究對象，采用有限體積法建立外流域的三維計算模型，運用動參考系實現尾部螺旋槳高速旋轉的仿真。基于該模型，評估下潛深度、航行速度、熱尾流噴速、熱尾流溫度等因素對熱尾流浮升擴散規律及海表溫度特性的影響，為某型號潛艇的紅外探測與反演定位提供針對性的參考與借鑒。

1 物理模型及邊界條件

1.1 物理模型

綜合對比國內外幾種典型核潛艇縮比模型的幾何結構特征和動力性能參數，選取自航式龍鯊Ⅱ號核潛艇縮比模型作為仿真分析和實驗研究的對象。該模型主要由艇體、指揮臺圍殼及側翼、尾翼、螺旋槳及環狀導管、熱尾流出口管等結構組成，如圖1所示。長度＝866mm，最大直徑max＝110mm，熱尾流出口管內徑＝7mm，與原模型的尺寸比例為1:72。通過控制側翼、尾翼姿態和螺旋槳轉速與方向，實現潛艇模型航行方向與速度的調節。

依據潛艇縮比模型的幾何特征尺寸和具體實驗條件，確定外流場計算域的幾何尺寸。其中，潛艇前端流域長度2，潛艇后端流域長度9，計算域總長度12；潛艇兩側流域寬度0.75m，計算域總寬度1.5m；基準下潛深度下，潛艇中軸線距自由表面高度0.5m，計算域總高度1.0m。即：外流場計算域的長×寬×高分別為10.392m×1.5m×1.0m，如圖2所示。

基于外流場計算域的對稱性，以1/2計算域為研究對象進行計算流體動力學分析是合理、準確且高效的。同時，將螺旋槳周圍的圓柱形流域單獨分離出來，由于其結構相對復雜且與整體流域尺寸相差較大，故采用較為強健的Meshing模塊劃分螺旋槳計算域的三維非結構網格，如圖3所示，再結合動參考系即可實現尾部高速旋轉螺旋槳強湍流擾動的仿真。

1.2 邊界條件

邊界條件是獲得計算域流場變量唯一解的必要條件。1/2計算域外表面的邊界條件如圖4所示，包括：速度入口、出口流動等進出口條件，靜止壁面、平移壁面、旋轉壁面、對稱面、交界面等壁面條件，潛艇計算域、螺旋槳計算域等單元分區。在動參考系中設置旋轉軸、旋轉方向和絕對轉速等，以仿真潛艇尾部高速旋轉螺旋槳引起的強湍流擾動。文中采用SIMPLE算法和RNG-湍流模型求解粘性流體的三維Navier-Stokes方程。

圖1 龍鯊Ⅱ號核潛艇縮比模型二維視圖

圖2 潛艇縮比模型的外流場計算域

圖3 螺旋槳計算域表面的網格劃分

2 分析與討論

結合龍鯊Ⅱ號核潛艇縮比模型的動力性能參數，規劃了分析熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性的計算工況，如表1所示。其中，涉及參數包括：下潛深度、航行速度s、熱尾流噴速h和熱尾流溫度h，標注星號（*）的參數為基準參數，所有基準參數共同組成基準工況。

2.1 下潛深度

在基準參數條件下，分析下潛深度對熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性的影響。圖5中給出1/2計算域對稱截面的熱尾流溫度分布，顯而易見，隨著下潛深度的增大，潛艇上側低溫海水的熱容量增大，造成熱尾流浮升擴散的中心高溫區域縮小，進而嚴重削弱海洋表面熱尾流的紅外輻射特性。圖6中給出海洋表面的熱尾流溫度分布，在基準工況下，熱尾流呈現海表溫度特性的后向延遲距離為6.52m、海表溫差為8mK；而當＝0.3m時，海表溫度特性的后向延遲距離僅為4.38m、比基準工況超前32.8%，海表溫差達到20mK。即：隨著下潛深度的增大，海表溫度特性的后向延遲距離增大、海表溫差減小，不利于實現敵方潛艇的紅外探測與反演定位。

2.2 航行速度

在基準參數條件下，分析航行速度s對熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性的影響。分析圖7和圖8得出，隨著航行速度s和螺旋槳轉速r的增大，熱尾流浮升擴散的中心高溫區域逐漸縮小，主要由于尾部螺旋槳的高速旋轉促進了高溫熱尾流與臨近低溫海水的摻混和區域溫度均勻化。因此，需要考慮螺旋槳高速旋轉的強湍流擾動項對熱尾流特性的影響。同時，海表溫度特性的后向延遲距離略有增大、海表溫差減小。當s＝2.0m/s時，海表溫度特性的后向延遲距離增大為6.60m、比基準工況延后1.2%，海表溫差減小為6mK。

圖4 潛艇縮比模型1/2計算域的邊界條件

表1 仿真分析的計算工況

圖5 下潛深度對熱尾流浮升擴散規律的影響

圖6 下潛深度對熱尾流海表溫度特性的影響

圖7 航行速度對熱尾流浮升擴散規律的影響

圖8 航行速度對熱尾流海表溫度特性的影響

2.3 熱尾流噴速

在基準參數條件下，分析熱尾流噴速h對熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性的影響。分析圖9和圖10得出，隨著熱尾流噴速h的增大，熱尾流浮升擴散的中心高溫區域急劇增大，海表溫度特性的后向延遲距離減小、海表溫差增大。在h＝1.3m/s時，熱尾流呈現海表溫度特性的后向延遲距離為5.79m，比基準工況超前11.2%，海表溫差增大為12mK。

2.4 熱尾流溫度

在基準參數條件下，分析熱尾流溫度h對熱尾流的浮升擴散規律及海表溫度特性的影響。分析圖11和圖12所示，隨著熱尾流溫度h的增大，熱尾流浮升擴散的中心高溫區域增大，海表溫度特性的后向延遲距離減小、海表溫差增大。在h＝90℃時，熱尾流呈現海表溫度特性的后向延遲距離為6.26m、比基準工況超前4.0%，海表溫差增大為10mK。

圖9 熱尾流噴速對熱尾流浮升擴散規律的影響

圖10 熱尾流噴速對熱尾流海表溫度特性的影響

圖11 熱尾流溫度對熱尾流浮升擴散規律的影響

圖12 熱尾流溫度對熱尾流海表溫度特性的影響

綜上所述，下潛深度和航行速度s對熱尾流特性的影響趨勢相同，均增加了潛艇外流場低溫海水的熱容量，但下潛深度的影響效果更為強烈；熱尾流噴速h和熱尾流溫度h對熱尾流特性的影響趨勢相同、影響效果相當，均增加了潛艇排放高溫熱尾流的熱容量。

3 結論

本文采用有限體積法建立1/72龍鯊Ⅱ號核潛艇外流域的三維計算模型，運用動參考系實現尾部螺旋槳高速旋轉的仿真。基于該模型，評估下潛深度、航行速度、熱尾流噴速、熱尾流溫度等因素對熱尾流浮升擴散規律及海表溫度特性的影響，所得結論如下：

1）下潛深度和航行速度s對熱尾流特性的影響趨勢相同，但下潛深度的影響效果更為強烈。隨著某一參數的增大，熱尾流浮升擴散的中心高溫區域縮小，海表溫度特性的后向延遲距離增大、海表溫差減小。

2）熱尾流噴速h和熱尾流溫度h對熱尾流特性的影響趨勢相同、影響效果相當。隨著某一參數的增大，熱尾流浮升擴散的中心高溫區域增大，海表溫度特性的后向延遲距離減小、海表溫差增大。

3）增大高溫熱尾流熱容量或減小低溫海水熱容量均能促使海表溫度特性趨于明顯，更有利于實現敵方潛艇的紅外探測與反演定位。

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Buoyancy Diffusion Law and Ocean-surface Temperature Characteristic ofSubmarine Thermal Wake

ZHANG Xusheng，GUO Liang，HU Richa，CHANG Wenjuan

(,,,130033,)

1/72 LSⅡ nuclear submarine is selected as the research object, three-dimensional numerical model of external flow-field is established by using the finite volume method, and high-speed rotation of tail-propeller is simulated by motion frame. Based on the model, factors which affect the buoyancy diffusion law and ocean-surface temperature characteristic, such as diving depth, sailing velocity, and thermal wake velocity/temperature are evaluated. Research shows that 1) with the diving depth and sailing velocity increasing, backward delay distance increases and temperature difference decreases towards ocean-surface temperature characteristic; 2) with the thermal wake velocity/temperature increasing, backward delay distance decreases and temperature difference increases towards ocean-surface temperature characteristic; 3) increasing the heat capacity of high-temperature thermal wake or decreasing the heat capacity of low-temperate seawater makes the ocean-surface temperature characteristic more obvious. The conclusion could provide the targeted reference for infrared detection and inverse positioning of certain type submarine.

thermal wake，buoyancy diffusion law，ocean-surface temperature characteristic，finite volume method，infrared detection

U661.1，TN215

A

1001-8891(2016)08-0678-05

2016-03-11；

2016-06-05.

張旭升（1988-），男，工學碩士，助理研究員，主要從事紅外熱輻射傳輸、航天器熱控技術等方面研究。E-mail：zxs1933@126.com。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所創新基金（Y4CX1SS144）。