基于三维动网格技术的潜艇热尾流浮升规律及水面温度特征研究

准确获得潜艇热尾流浮升、扩散规律及其水面温度分布特征是发展红外探潜技术的关键。本文基于动网格技术,建立潜艇水下航行三维计算模型,分别采用壁面法与VOF法对潜艇热尾流浮升过程进行仿真。研究获得了潜艇热尾流的浮升、扩散规律及其水面温度分布与红外识别特征。在此基础上,分析了不同冷却水排放方案下热尾流水面温度分布特征的变化规律,提出了抑制热尾流浮升、减弱水面温度特征的方法。本文研究结果可为下阶段的实验研究与测量提供一定理论基础。     

水下航行器排放冷却水温度分布特性研究

根据计算流体动力学理论建立了水下航行器排出冷却水形成热尾流的浮升规律的数学模型,采用有限体积法来离散求解三维湍流数学模型,对水下航行器排出热尾流的浮升特性进行了数值计算分析,得到了热尾流轨迹和热尾流温度场分布图像,将热尾流的试验结果与理论数值模拟结果进行比较,验证了模型的正确性。文中建立的水下航行器排放冷却水浮升模型可预测热尾流的温度分布特性和预先估计海面温度场分布状况,为红外探潜提供了理论依据。     

水下航行体热尾流特性的技术融合

为得到红外探测水下航行体中全面的热尾流特性,提出一种技术融合的研究方法,即先将水下航行体排出的冷却水形成的热尾流近似为圆形断面的自由湍流热射流,在密度分层环境中,根据射流的积分方程建立热尾流特性的计算模型;再采用Runge-Kutta法进行数值仿真;最后利用含少量黑墨水的尾流流迹摄影、数字温度传感器多点测温和红外成像等技术进行融合实验研究。研究得到了热尾流浮升轨迹的发展、高度的增长、宽度的扩展、时间的增长、温度的分布和水面红外图像的变化等规律。仿真与实验结果的相符验证了研究方法的可行性。研究方法和所得结果有助于红外探测水下航行体技术的发展。     

单体热射流水团浮升扩散规律研究

水下航行体热射流排放可能会在水面上形成一定的红外特征,该红外特征会影响到其本身的隐身性能,因而研究热尾流的浮升扩散机理具有重要的意义。建立研究水下单体热射流水团浮升扩散规律的二维数学模型,利用Fluent软件对热射流浮升扩散规律进行二维数值模拟研究,利用SST k-omega湍流模型和有限体积法,得到单体热射流水团在水下浮升的浮升扩散规律及温度分布特性。利用该数学模型进一步研究对比初始速度的大小、方向及温差对单体热射流水团的浮升扩散的影响,分析得到单体热射流水团在几种因素影响下的温度分布规律及其运动轨迹。     

基于重叠网格技术的潜艇热尾流在正负温度分层环境下的数值仿真

实际海洋环境中存在温度分层现象,研究其对于潜艇尾流浮升扩散的影响具有重要意义。本文基于重叠网格技术,建立潜艇热尾流三维模型,对潜艇尾流在正负温度分层环境的浮升扩散进行数值模拟,分析其浮升过程与海面红外特征,研究了温度分层的正负与梯度大小对于潜艇尾流的影响。结果表明：分层环境下,海面红外特征主要由潜艇运动引起的的海水扰动所导致;分层环境下海面红外特征相比均匀海水更为明显;分层环境对于冷却水浮升具有抑制作用,且抑制效果与温度梯度大小正相关;海面最大温差与温度分层梯度基本呈正比例关系。     

水下航行体热尾流浮升数值预报方法研究

水下航行体在航行过程中排放的热尾流在一定的条件下能浮升至水面,形成明显不同于背景水体的红外特征。论文基于来流法,应用不同湍流模型对水下航行体热尾流浮升过程进行数值预报,分析湍流模型对热尾流浮升及其水面特征的影响,并与试验进行比较,建立了水下航行体热尾流浮升的数值预报方法。     

基于动网格技术的潜艇热尾流浮升规律研究

针对基于相对运动的"排水法",无法全面、准确地反映潜艇热尾流浮升扩散规律,建立基于动网格技术的潜艇水下航行的二维计算模型,利用流体计算软件Fluent对潜艇排放过程中的流动-传热过程进行数值模拟。采用网格重构和网格光顺方法结合Profile运动边界驱动机制实现网格区域运动,确保模型符合实际运动规律。研究动网格技术和"排水法"热尾流最大浮升高度沿流向分布情况,最大浮升高度和中心温度随时间的变化规律。研究结果表明:动网格技术对于潜艇航行过程中的热尾流浮升过程有较高的计算精度;模拟结果捕捉到了浮升过程中流动和传热的瞬时变化,揭示了热尾流浮升扩散的规律。研究结果进一步为潜艇红外特征研究提供了理论支持和方法思路。     

潜艇热射流浮升特性研究

分析了在均匀密度分层环境中潜艇热尾流中程和远程的浮升特性,并进行了数值模拟,发现G rashof数对热射流的影响十分显著。     

横流环境中冷却水排放浮升规律

冷却水排放浮升规律对红外隐身的研究具有重要意义。冷却水排放过程可以简化为横流环境中的水平热射流过程,本文在有限体积法的基础上采用Simple算法和Realizable k-ε湍流模型对热射流浮升过程建立三维数学模型,并进行数值模拟。数值模拟结果显示热射流三维浮升轨迹线与文献中的实验结果吻合良好,浮升迹线验证了该模型和方法的准确性。利用该数学模型进一步计算比较了不同流速比和不同环境流速下的浮升规律和温度分布特性,分析得到了流速比和环境流速对热射流浮升轨迹和中心温度的影响规律,为基于红外特征的冷却水排放规律研究提供了理论依据。     

水下航行器热射流多孔排放口结构仿真分析

水下航行器动力系统循环冷却水经由排放口排出,与环境水体掺混换热形成热射流。热射流在环境水体中扩散、浮升并在水体表面形成红外特征。为探究排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响,本文采用仿真分析的方法进行研究。依托CFD计算软件平台建立水下航行器运动模型,设计不同数量、不同分布位置的排放口结构并对比热射流红外特征差异,抑制热射流红外特征,提升水下航行器热隐身性能。根据仿真计算结果可知,在排放流量相同的条件下,排放口采用两翼排列方式可以进一步加强热射流温度衰减,降低水面最高峰值温度。