潛艇熱尾流浮升對海面紅外特征影響及OpenGL仿真?

王 亮 王成安 周志權 王 軍 王好賢 王晨旭

1 引言

潛艇是我國海軍重要的作戰力量，它具有良好的隱蔽性、持久的續航能力和強大的突擊威力，因此潛艇和探測與反探測技術一直受到國內外科研人員的關注。在潛艇的行進過程中，由于存在冷卻裝置需要向海水中排放大量的冷卻水，冷卻水在浮升力的作用下浮升至海面形成熱尾流，雖然溫差比較小但其面積大，持續時間長，隨著紅外探測技術的發展，國際上先進測溫儀器能感知海面很小的溫度變化，熱尾流與其他海域的溫差很可能被紅外儀器探測到，而OpenGL作為一種專業的繪圖工具，可以仿真海面場景的紅外特性，因此以OpenGL為工具研究熱尾流的表征特性對潛艇的隱身、探測有著重要意義。

在20世紀50年代，科研人員發現水下目標排放的熱尾流會浮升至水面引起水面溫度異常，這種現象逐漸受到科研人員的重視。Merritt等[1]利用熱敏電阻研究了潛艇熱尾流溫度分布特性；之后齊力杰[2]在Merritt等潛艇尾流研究的基礎上提出了潛艇熱尾流的計算模型和典型計算結果；吳猛猛等[3]與張昊春等[4]采用VOF法研究了二維情況下潛艇熱尾流的浮升過程，發現浮力和海水垂直溫度梯度影響較大；楊衛平等[5]對目標模型紅外尾流的靜態和動態測試進行縮比設計發現利用區域灰度均值和均方差的起伏變化可有效探測水下航行體水面尾跡。在場景仿真方面，陳璐[6]對海面進行了靜態和動態模擬，利用OGRE渲染生成動態紅外海面，得到了比較真實可靠的紅外海面場景；蔣萬秋[7]應用OpenGL技術輸出海面紅外圖像，結果表明其仿真模型是正確的；張士成等[8]計算了探測天頂角和海面風速對尾流與周圍海面的影響，分析了不同條件下探測圖像的變化。但到目前為止，尚未有針對潛艇熱尾流浮升引起的表面溫度場特征進行場景仿真的相關研究，本文的創新點在于把熱尾流浮升引起的溫度變化利用OpenGL顯示出來。

2 潛艇熱尾流浮升現象的仿真

為了得到海面的溫度場，本文采用VOF模型[9]追蹤兩相交界面，該模型是計算互不相溶的兩種或多種流體常用的方法，它通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的體積分數來模擬兩種或多種不能混合的流體。在計算單元中各相的體積分數之和為1，對第p相流體來說，有三種情況：若αp=0，則該單元中沒有第p相流體；若0＜αp＜1，則該單元中存在第p相流體與其他流體的交界面；若αp=1，則該單元全為第p相流體。

本文仿真潛艇熱尾流浮升現象的目的是獲得海面的溫度場，可通過后處理軟件輸出溫度場數據，仿真得到的海面溫度云圖如圖1所示。

3 海面紅外特征的模擬

OpenGL[10]（Open Graphics Library）是指定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業的圖形程序接口，它具有七大功能[11]，分別是：建模、變換、顏色模式設置、光照和材質設置、紋理映射、位圖顯示和圖像增強功能和雙緩存動畫功能。本文以OpenGL為工具對海面場景進行仿真，其工作流程如圖2所示。

為了繪制海面形狀，需要將本文選取的PM海浪譜表達式編入程序并采用glVertex3f()函數繪制高度場數組的每個點，之后把點連接成三角形，最后形成粗糙海面。為了獲得更好的仿真效果，可以加入天空背景。其原理是使用OpenGL中的二維紋理映射技術[12]，通過glTexParameterf()函數和glTex-Image2D()函數實現該技術。

采用PM海浪譜生成海面高度場數組的關鍵代碼如下所示：

getHeight[x][y]=getHeight[x][y]+5*Ajk*cos(k_wave*(x_temp*cos(theta)+y_temp*sin(theta))-omega*temps+RandomNum*2*PI);

本文選取RGB顏色模式顯示海面，采用如下的if-else語句劃分溫度區間，總共20個，此處僅列舉一個，再使用glNormal3f()函數和glVertex3f()函數計算頂點的法線向量并繪制該點。

1.if(a[i][add]＞=tmin&&a[i][add]＜(tmin+dt))

2.{

3.glColor3f(0,0,1);

4.}

經過上述流程和代碼，得到的海面紅外特征如圖3所示，可以明顯地看出熱尾流浮升至海面呈現出錐形的形狀，中心溫度由高到低向周圍遞減。

在實際的海洋環境中，有很多天氣、環境等因素影響海面的視景，下面分別考慮海風和海霧兩種因素對海面視景的影響。在程序中改變PM譜中風速參數可觀察海風速對海面形狀的影響，在頭文件fog.h中改變霧化指數可觀察海霧對海面視景的影響，效果如圖4所示。

由仿真結果可以發現，存在海風時，海面形狀變得更加粗糙；存在海霧時，海面視景變得更模糊。通過考慮海風和海霧的影響，可真實地仿真實際海洋環境中的海面場景。

4 結語

本文從仿真潛艇熱尾流的排放和浮升過程出發，得到海面溫度云圖及溫度場數據，然后以OpenGL為工具仿真天空背景下的海面場景，采用顏色繪制技術得到熱尾流浮升海面紅外特征圖像，最后分析了海風和海霧對海面場景的影響。本文實現了海面紅外特征的真實顯示，對海面場景紅外仿真的研究有一定的指導意義。

［1］Merritt G E.Wake growth and collapse in stratified flow［J］.AIAA Journal，1973，12（7）：940-949.

［2］齊力杰.潛艇尾流尺度的計算［J］.青島大學學報工程技術版，1999，14（3）：72-74.

［3］吳猛猛，陳伯義，張修峰，等.溫度分層海洋中水下航行體引起水面特征參數變化規律的研究［J］.紅外技術，2010，04：242-246.

［4］張昊春，吉宇，馬銳，等.水下航行體熱尾流浮升特性研究［J］.艦船科學技術，2015，07：24-28.

［5］楊衛平，張志龍，李吉成.水下縮比航行體熱尾流的紅外探測實驗［J］.國防科技大學學報，2016，38（4）：107-112.

［6］陳璐.海面紅外輻射特性建模與仿真［D］.西安：西安電子科技大學，2013：6–8.

［7］蔣萬秋，趙云峰，袁水平.海面背景紅外圖像建模與OpenGL仿真［J］.電光與控制，2009，16（11）：19-21.

［8］張士成，楊楨，楊立.基于海面粗糙度的艦船尾流紅外探測［J］.紅外技術，2011，33（1）：27-31.

［9］羅恒，陳科，尤云祥，等.運動潛體尾跡及其與隨機海面相互作用的數值模擬［J］.上海交通大學學報，2007，41（9）：1435-1440.

［10］曲嘯.基于OpenGL的空間仿真可視化技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2013：5-6.

［11］梁夢潔.基于OpenGL的真實感三維海面模擬［D］.西安：西安電子科技大學，2013：29-30.

［12］施萊爾，賽勒斯，克賽尼希，等.OpenGL編程指南［M］.北京：機械工業出版社，2014：196-197.