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粘性分层流中水下航行体尾迹在随机海面中的表现特征研究
| 论文题名： | 粘性分层流中水下航行体尾迹在随机海面中的表现特征研究 |
| 关键词： | 分层流;潜艇尾迹;海浪谱;水下航行体;合成孔径雷达;数值模拟 |
| 摘要： | 海水的密度层化是海洋的一种普遍现象。当潜艇在密度层化的海洋中航行时不仅会产生漩涡和湍流尾迹，还会激发内波尾迹。内波不仅可以沿着水平方向传播，而且还具有垂向传播的特性。潜艇运动激发的尾迹在传播过程中，会引起海洋表面流动速度和位移场的微小变化，通过与海面背景波相互作用，使得粗糙海面特征发生变化，空间卫星上装载的合成孔径雷达（简称SAR）对潜艇航行引起的这种自由面的水动力信号特征具有很强的成像能力，从而可以对潜艇的活动情况进行跟踪。但是，迄今为止，对相关机理的认识还是非常有限的。因此，本课题的研究有重要的学术意义和军事应用价值。 本文首先以球体为研究对象，通过直接求解三维非定常不可压缩RANS方程，采用RNG 湍流模型和界面追踪的VOF方法，对分层流中水下运动球体产生的尾迹进行了数值模拟与分析；结合随机海浪谱模型，提出了水下运动潜体产生的自由面尾迹与随机海浪相互作用的数值模拟方法。考察了在不同海面风速和主要波高条件下，运动球体产生的自由面尾迹与随机海浪相互调制的机理及其表现特征。 在以上工作的基础上，将水下运动潜体变为实尺度潜艇模型，根据潜艇模型上附体的几何特点以及与艇体的连接方式，构造了特定的网格拓扑结构，使用分块结构化网格，克服了实艇高雷诺数计算困难，实现了分层流中潜艇水下运动激发尾迹的数值模拟；结合海浪谱模型，考察了在不同海面风速和主要波高条件下，潜艇运动激发表面尾迹与海面背景波相互作用的机理及其表现特征。结果表明：潜体尾迹能否在随机海面中产生明显特征，取决于随机海面波的波长和波高。一般地，当海面波波长与潜艇尾迹波长相当时，海面波对潜艇尾迹的干扰较大；海面波波高越大，其对潜艇尾迹的干扰也越大。在合适的海面风速和主要波高条件下，水下运动潜艇产生的自由面尾迹，在随机海浪的作用下，依然具有清晰的Kelvin尾迹特征。 本文研究表明粘性CFD方法是有能力来进行分层流中潜艇运动尾迹研究的，为进一步使用粘性CFD方法系统深入地研究分层海洋中潜艇运动产生水面扰动引起的粗糙海面变化特征及其机理等问题打下基础。 |
| 作者： | 罗恒 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 尤云祥 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2007 |
| 正文语种： | 中文 |
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