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原文传递稳定分层流中潜航体尾流场及自由面特征研究

论文题名：	稳定分层流中潜航体尾流场及自由面特征研究
关键词：	潜航体;稳定分层流;尾流场;自由表面特征
摘要：	潜航体（如潜艇）在稳定密度和温度分层流体中运动时，其扰动诱发的尾流场中的“水动力尾迹”和“冷尾迹”，以及自由表面几何形态变化和温度差异分布具有许多异于在密度均匀的均质流动中航行时的情形，研究和分析分层流本身的流动特征现象，以及潜航体在分层流体中的尾流场特征和自由表面特征具有重要意义。　　围绕典型海洋分层环境状态，基于计算流体力学原理和方法，建立强分层流动和提出含跃层的连续分层流动数值模拟方法，具体为：采用两相流VOF法对内界面和自由表面进行捕捉，实现流体强分层状态环境;联合流体状态方程和温度形式的能量守恒方程，建立流体“温度一密度”连续分层状态数值模型，实现流体的连续分层状态环境;湍流模型采用计及浮力项的SST k-ω模型，通过三次本构关系和修正湍流模型系数，充分考虑浮力湍流各向异性。对两层流中圆柱绕流诱发分层内界面波动及主要影响因素，以及不同流动参数下连续分层流中圆球绕流尾流场演化进行数值模拟，并将数值结果与相关实验结果进行对比，重点验证数值方法对分层流动模拟的有效性，特别是实现分层状态及处理分层“浮力效应”的能力。　　基于建立的两层流数值方法，开展了两层流中实尺度Suboff潜艇水下航行时诱发的内界面波时空传播规律和自由表面几何形态变化特征数值研究。主要分析艇体体积效应扰动所致内界面波及自由表面几何形态的时空演化过程，并研究分析潜深、航速等主要航行参数对内界面波和自由表面几何形态变化特征的影响规律，对比分析分层流和均质流对自由面“幅聚幅散”效应的影响。研究结果表明，潜艇近水面航行时，艇体对内界面和自由面具有较强的扰动作用，可引起内界面和自由面明显的波动，潜艇引起的内界面波动多呈窄“V”形，航速变化时，内界面波动中的横波系和散波系分布变化明显，潜深变化使得波动幅值变化明显，航行深度相对内界面位置改变时，艏艉部对应的波峰和波谷类型对应变化。　　依据潜艇活动的上层海洋中密度分层和温度分层多同步出现，温度分层是海水密度分层的形成重要因素这一特点，基于建立的连续分层流动数值模拟方法，对含密度跃层的过渡形式分层流中实尺度Suboff潜艇诱发的尾流场密度波动和自由表面几何形态变化特征进行数值模拟，研究分析潜艇分层尾流场中密度跃层波动场发展演化过程，并对比分析密度分层强度等主要分层要素、潜深既相对跃层位置、潜航体航速等主要航行参数对潜艇分层尾流密度场波动的影响规律，分析“浮力效应”对艇体体积排挤效应尾流场的影响规律。同时对比分析含密度跃层时，潜艇航行致静水自由面几何形态演化发展时间历程及变化特征规律，在此基础上，分析长峰不规则波条件下，潜艇水下航行时自由表面几何形态变化特征。研究结果表明，潜艇可引起尾流场密度跃层内部明显的密度场波动，跃层内部流体受分层流体浮力效应的影响，垂向运动受到较强的抑制，艇艉后方周围流体发生塌陷，易形成“沟槽”形的尾流密度波动区域。密度跃层强度影响艇后方密度波动的剧烈程度。潜艇位于跃层不同位置时，跃层内部密度场波动的波峰及波谷位置不同，出现“下凹”型、双侧“塌陷”型、“上凸”型等不同形式的密度波动。　　针对温度分层流中潜航体航行尾流中的温度波动，既“冷尾迹”特征，对含跃层的过渡形式温度分层流中实尺度Suboff潜艇诱发的冷尾流温度波动场和自由表面温度差异分布特征进行了数值研究，对比分析了温度分层强度等分层要素、潜深及相对温度跃层位置、航速等航行因素对潜艇分层尾流温度场波动的影响规律，同时对比分析了含温度跃层时，潜艇航行致静水自由表面温度差异分布演化发展时间历程及特征规律。在此基础上，研究螺旋桨尾流中的旋转状态流动结构在温度分层流中的传播演化特征。研究结果表明，潜艇水下航行诱发的冷尾流和水动力尾流在时空结构形式上具有一定的相似性和关联性，但其自由表面表现特征差异较大。潜艇螺旋桨运行造成的旋转状态流动结构，是一种典型的“动量尾迹”，传播距离远，变化特征强。在存在一定厚度上均匀层时，潜艇冷尾流自由表面特征在上传过程中会逐渐减弱。
作者：	马卫状
专业：	力学
导师：	李云波;丁勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020