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推进器扰动下热尾流浮升对水面红外特性的影响研究
| 论文题名： | 推进器扰动下热尾流浮升对水面红外特性的影响研究 |
| 关键词： | 热尾流浮升;水下目标探测技术;水面热信号;水面红外特性;推进器扰动 |
| 摘要： | 水下目标探测技术对海洋强国战略实施具有重要研究意义。随着降噪技术的不断发展，传统的声呐探测技术难以发现高隐蔽性水下航行体的行踪，非声学探测技术越来越受到关注。由于航行体在行进过程中会排放冷却水，在推进器扰动和尾部扰流的共同作用下形成温度高于环境水体的热尾流，向上浮升的同时与海洋层化结构相互作用，最终导致产生海面热信号，进而采用红外技术观测海面即可发现水下目标，因此，探究水下目标热尾流引起的水面热信号规律意义重大。本文主要的内容与研究结论如下： 通过相似模化实验方法研究了均匀水体中有推进器扰动的热尾流浮升过程对水面温度场和流场的影响。首先，设计并制作了推进器缩比实验模型，根据实验需求改进试验台；其次，在冷却水中添加示踪粒子，利用PIV技术观测冷却水与推进器扰动产生的热尾流处于悬停状态时的水面流场；最后，利用红外热像仪在含有“热表皮”结构的均匀水体中进行热尾浮升观测实验。通过调整推进型转速、冷却水排放速率、模型潜深等变量研究水面温度场和流场的变化规律。引入淹没射流模型和浮力射流模型，分析速度场和温度场与无量纲数之间的关系，得出红外信号与水面流场的变化规律，结果表明：(1)在均匀水体中冷却水排放与推进器扰动所形成的热尾流具有淹没射流的流场特征，有一定几率出现大尺度的相干涡结构，并与冷却水排放速率、推进器转速有关。(2)水面红外信号产生主要是由于“热表皮”结构的破坏导致形成的冷信号，与热尾流浮升至水面无直接关系。(3)实验模型距水面较近时，会有部分热尾流产生的热信号浮于水面，且受自由面的制约水面观测的形态结构形成不稳定的结构。 通过数值模拟的方式，采用大涡方法对不含推进器的简化潜艇模型进行分层水体和均匀水体环境的实尺度仿真，通过改变跃层位置、航行速度等因素对分层水体下热尾流形成的过程及其对水面温度场影响的变化规律进行研究，结果表明：(1)受模型尾部扰流影响，均匀水体与分层水体环境下热尾流均存在V形结构分布且经历着初始射流、发展、破碎三个阶段。(2)模型位于跃层上方时，水面温度信号的产生与热尾流的浮升过程有直接关系，受水面“热表皮”结构的影响产生量级为0.001K的“冷信号”。(3)航行体位于跃层下方时，热尾流浮升过程会受到抑制，但模型运动和尾流浮升的作用会激发跃层产生内波，一定强度的内波会调制“热表皮”产生量级小于0.01K的温度信号，且与航行体的航速、跃层与水面的相对位置均有关系。 |
| 作者： | 高继鹏 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 王成安 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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