详情

原文传递水下动量源生成大尺度涡结构特性研究

论文题名：	水下动量源生成大尺度涡结构特性研究
关键词：	水下动量源;大尺度涡;结构特性;数值模拟;演化机理;表现特征
摘要：	对于潜艇等水下航行体,无论是艇体还是推进器和冷却水排放等对背景流体的扰动作用,其力学效应都相当于有动量传递给周围流体。水下航行体的艇体效应相当于给背景流体传递一个阻力动量,而推进器和冷却水排放效应则相当于给背景流体传递一个射流动量,因此水下航行体尾迹的力学效应可以等效为某种水下动量源。水下动量源所形成的动量尾迹,在海洋背景流体的作用下,有可能会演化出大尺度的涡结构,并在水面上产生可被合成孔径雷达SAR识别的特殊流动结构。因此,本论文的研究对潜艇SAR非声遥感探测有重要学术意义与潜在军事应用价值。　　在回顾和总结了关于本领域国内外研究现状的基础上,本博士论文采用实验、理论和数值相结合的方法,针对水下动量源在密度均匀和分层流体中大尺度涡结构的形成机理及其表现特征等问题进行了研究,具体内容如下。　　在第二章中,采用层流圆管潜射流方法,结合Stokes近似理论和相关的经验模型,在多种射流时间和雷诺数组合下,实验和理论研究了该射流动量在密度均匀粘性流体中的演化机理及其表现特征,定量分析了蘑菇型涡结构的无量纲射流长度 L、涡环半径R及其包络外形长度d等几何特征参数随无量纲时间t的变化规律。系列实验结果表明,蘑菇型涡的形成与演化过程可分为三个不同的阶段,分别为启动、发展和衰退阶段。在启动阶段,L和d随t线性变化,而R则近似为一个常数。在发展阶段,蘑菇型涡的演化具有自相似性,在各种射流时间和雷诺数组合下,L、R和d与t1/2均为同一正比关系。在衰退阶段,蘑菇型涡会发生两类形式的衰退演化,第一类衰退出现在射流结束之后,其间L和R与t1/5相关,而d近似为一个常数;第二类衰退出现在射流结束之前,当射流动量达到某个临界值后,蘑菇型涡结构就会发生破碎等现象。　　在第三章中,基于不可压Navier-Stokes方程,采用计算流体力学方法,数值模拟与分析了层流圆管潜射流在密度均匀粘性流体中的演化机理及其表现特征,结合 Stokes近似理论和相关的经验模型,定量研究了蘑菇型涡结构的无量纲几何参数 L、R和 d等随无量纲时间t的变化规律,数值模拟结果与相关理论和实验结果吻合。此外,还对蘑菇型涡结构的二次回流点、动量源作用中心及其几何中心的速度变化规律、垂向涡量分布特征以及涡量-流函数关系等进行了研究与分析。　　第四章中,采用圆管潜射流方法,在多种射流无量纲潜深 d/H、雷诺数 Re以及限制数C的组合下,实验研究了该潜射流动量在密度均匀粘性流体中的演化机理及其表现特征,其中d为射流潜深,H为水深。研究表明,当C<1时射流表现为深水特征,而当1≤C<2时射流表现为过度特征,在这两种情况下均不产生任何形式的大尺度相干结构;当2≤C<10时射流表现为浅水特征,C≥10时射流表现为极浅水特征,在这两种情况下均产生大尺度的偶极子涡结构。对极浅水特征射流,在各种无量纲潜深下,偶极子涡结构的无量纲形成时间tf与无量纲射流时间Tinj均满足相同的正比例关系;对浅水特征潜射流,当无量纲深为0.5时,tf与 Tinj满足某种线性关系,但对其无量纲潜深 d/H,tf与Tinj之间无明显规律。　　在第五章中,采用水平移动射流方法模拟水下移动动量源,实验研究了其在密度分层流体中生成准二维偶极子涡街的机理,分析了偶极子涡街的演化特性。在系列实验基础上,获得了移动射流动量源在密度分层流体中能够演化为偶极子涡街的(Re, Fr)组合条件,其中Re为射流Reynolds数,Fr为射流Froude数。进而,对不同的Re取值,获得了偶极子涡街无量纲形成时间及其无量纲涡街平均波长倒数与 Fr之间的相关关系,结果表明它们都是不依赖于Re数的,而且与Fr近似为幂指数关系。　　在第六章中,采用带L型尾喷管拖曳球方法模拟水下运载器艇体与冷却水排放等产生的阻力与射流动量尾迹,实验研究了这种组合式移动动量尾迹在密度分层流体中的演化特性。研究表明,当JD/J>CD时,这种组合式移动动量尾迹的演化特性主要受拖曳球体阻力动量尾迹演化的影响,形成正卡门型准二维涡街结构,其中 JD为拖曳球产生的阻力动量流量,J是L型尾喷管产生的射流动量流量, CD是球的阻力系数;当JD/J
作者：	陈科
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	尤云祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文