胡日查，郭 亮，張旭升

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130031)

自動(dòng)力潛艇熱尾流水面熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

胡日查，郭 亮，張旭升

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130031)

本文研究了實(shí)驗(yàn)水槽中自動(dòng)力潛艇熱尾流水面熱特性，消除了除潛艇自身特征外其他拖動(dòng)組件對(duì)熱尾流擴(kuò)散的影響，更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)了熱尾流的擴(kuò)散過(guò)程。通過(guò)熱尾流溫度分布預(yù)測(cè)了潛艇熱尾流由熱流區(qū)和冷熱流混合區(qū) 2 個(gè)區(qū)組成，解釋了 2 個(gè)區(qū)形成的過(guò)程，而熱流區(qū)幾乎全部由熱流團(tuán)組成，而且溫度相對(duì)更高。紅外熱像儀拍攝的潛艇熱尾流水面溫度場(chǎng)分布圖再次驗(yàn)證了熱尾流水面熱特性預(yù)測(cè)的正確性。本文對(duì)紅外遙感探潛具有一定的參考價(jià)值。

潛艇；熱尾流；溫度

0 引 言

軍事上常用的反潛手段包括聲吶反潛、雷達(dá)反潛、磁異探測(cè)反潛、激光探測(cè)反潛、海洋遙感反潛等[1 – 3]?，F(xiàn)代潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展使得潛艇的噪聲級(jí)已非常低，甚至與海洋背景噪聲級(jí)接近[4]；作戰(zhàn)時(shí)潛艇長(zhǎng)時(shí)間處于水下航行或靜默，無(wú)法使用潛艇特征探測(cè)手段確定其方位；當(dāng)遇到霧、雨、雪和低云天氣時(shí)磁異探測(cè)將受到極大制約；由于激光在海水中存在衰減、色散、后向散射等現(xiàn)象，激光探測(cè)受到影響[5]。熱尾流紅外探測(cè)是海洋遙感反潛手段的一種，由于其被動(dòng)全天候晝夜工作，具有可靠、快速響應(yīng)、優(yōu)質(zhì)顯示、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為探潛系統(tǒng)的新方向。

2003 年，顧建農(nóng)等[6]建立了密度分層環(huán)境中熱尾流的計(jì)算模型，并測(cè)量了潛艇模型熱尾流軸線浮升規(guī)律、截面溫差分布規(guī)律和軸線溫差衰減規(guī)律；2005年，顧建農(nóng)等[7]建立了分層環(huán)境下由拋物化 RaNS 方程及能量方程組成的艦船遠(yuǎn)場(chǎng)熱尾流計(jì)算數(shù)學(xué)模型，研究了尾流溫度分布特性和寬度擴(kuò)展規(guī)律；2007 年，張曉懷等[8]在綜合考慮海面發(fā)射率、天空輻射、陰影遮擋系數(shù)、環(huán)境大氣等因素對(duì)探測(cè)器接收到的輻射能量的影響前提下計(jì)算了潛艇熱尾流浮升到海面之后的輻射亮度，確定熱尾流的紅外輻射特性與探測(cè)方位、風(fēng)速、尾流溫度、環(huán)境溫度與濕度等因素密切相關(guān)；2011 年，張修峰等[9]在水池中實(shí)驗(yàn)研究了螺旋槳推進(jìn)潛艇模型在有無(wú)溫度分層流體中尾流的熱特性，得到2 種條件下尾流的溫度分布和信號(hào)衰減規(guī)律，并分析了其影響因素。

上述文獻(xiàn)研究方向主要集中在熱尾流的理論計(jì)算或仿真計(jì)算領(lǐng)域，部分實(shí)驗(yàn)中使用了拖動(dòng)潛艇模型的方法得到熱尾流溫度分布的相關(guān)數(shù)據(jù)。為消除潛艇自身特征外其他實(shí)驗(yàn)輔助特征對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)，本文在亞克力透明實(shí)驗(yàn)水池中利用螺旋槳推動(dòng)遙控潛艇模型對(duì)潛艇熱尾流熱特性進(jìn)行研究，得到潛艇熱尾流水面分布的熱特性。

1 熱尾流研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

潛艇模型熱尾流研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共由 6 部分組成。分別是自動(dòng)力遙控潛艇模型、熱尾流穩(wěn)定溫度流發(fā)生裝置、實(shí)驗(yàn)水池、鉑電阻測(cè)溫傳感器組、Aglient 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輔助成像裝置。

潛艇模型全長(zhǎng) 968 mm，艇身直徑為 110 mm，具有水下升降排水功能及電機(jī)動(dòng)力裝置，無(wú)需使用其他組件拖動(dòng)可在水下完成前進(jìn)、變向及升降動(dòng)作；實(shí)驗(yàn)水池使用透明亞克力材質(zhì)制作，長(zhǎng)寬高為 10.0 m × 1.5 m × 1.0 m；熱尾流穩(wěn)定溫度流發(fā)生裝置由流體驅(qū)動(dòng)泵、主路及旁路水路、閥門、渦輪流量計(jì)和管路組成。熱流體經(jīng)過(guò)固定于潛艇模型尾部硅膠軟管以恒定流量排出；選擇鉑電阻作為測(cè)溫傳感器，為減小測(cè)量誤差使用 3 線制連接方式連接于數(shù)據(jù)采集儀；溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用 4 臺(tái) Agilent 數(shù)據(jù)采集儀，并連接采集電腦，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；使用 FLIR SC3000 紅外熱像儀作為輔助成像裝置，實(shí)時(shí)觀察尾流發(fā)展動(dòng)態(tài)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 所示。

測(cè)溫傳感器在實(shí)驗(yàn)水池中的布置方式如圖 2 所示。在實(shí)驗(yàn)水池中沿長(zhǎng)度方向每隔 0.5 m 布置1組傳感器，沿寬度方向每隔 0.375 m 布置1組傳感器，沿高度方向每隔 0.25 m 布置1組傳感器（充分發(fā)展段截面 1 及截面 2 在水底各加布 1 個(gè)測(cè)溫傳感器，沿高度方向均勻布置 4 個(gè)測(cè)溫傳感器），共布置 116 個(gè)傳感器。

在測(cè)量過(guò)程中，考慮到模擬水池壁面效應(yīng)的影響，以熱尾流充分發(fā)展段范圍內(nèi)布置的 8 個(gè)截面共 48個(gè)傳感器作為主要關(guān)注對(duì)象。根據(jù)熱尾流的浮升特性，將 8 個(gè)截面中線位置的 8 個(gè)傳感器作為主要溫度參考點(diǎn)，如圖 2 虛線框所示。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水表面溫度為 20.80 ℃，潛艇熱尾流溫度為 62.5 ℃，體積流量為 30 ml/s，由 ф7 內(nèi)徑的硅膠管穩(wěn)定地排出。潛艇模型航行速度為 0.82 m/s，潛水深度為 300 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔 2 s 采集一次數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)保存。

沿水池寬度方向共布置了 3 個(gè)截面測(cè)溫傳感器，沿潛艇運(yùn)動(dòng)方向從左至右 3 個(gè)截面溫度傳感器測(cè)量溫度曲線如圖 3～圖 5 所示。各曲線圖中的小坐標(biāo)系為 8個(gè)曲線簇中變化規(guī)律比較明顯的 3 條曲線。

潛艇模型航速為 0.82 m/s，駛過(guò) 1#～8# 測(cè)溫點(diǎn)只需要 4.3 s，因此圖 3～圖 5 曲線主要反映了熱尾流擴(kuò)散的過(guò)程。圖中的小坐標(biāo)圖展示了溫度變化過(guò)程，從穩(wěn)定的初始溫度突然上升達(dá)到峰值后逐漸開始波動(dòng)式緩慢下降。曲線中的各峰值說(shuō)明有熱尾流經(jīng)過(guò)傳感器，而第 1 個(gè)峰值是熱尾流第 1 次接觸傳感器所致，第 1 次到達(dá)時(shí)也是熱尾流溫度最高的時(shí)候。隨著熱尾流的進(jìn)一步擴(kuò)散，熱尾流與周圍冷流發(fā)生對(duì)流、傳導(dǎo)換熱，溫度逐漸下降。由于冷熱流無(wú)規(guī)則接觸傳感器，曲線交替出現(xiàn)無(wú)規(guī)則波動(dòng)，而波動(dòng)的幅值取決于冷熱流的溫度和分布。冷熱流的分布很難預(yù)測(cè)，加之潛艇螺旋槳的攪動(dòng)，加劇了冷熱流的紊亂程度。

通過(guò)比較上述 3 個(gè)溫度曲線簇發(fā)現(xiàn)，圖 3和圖 5的溫度變化規(guī)律更為接近，與圖 4 有明顯的不同。圖 4的 8 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度上升時(shí)間區(qū)間比較接近，第 1 次出現(xiàn)溫度極值的時(shí)間點(diǎn)也比較集中，在 50 s 內(nèi)均已出現(xiàn)溫度第 1 次極值。但圖 3和圖 5 曲線簇第 1 次出現(xiàn)溫度極值所需時(shí)間區(qū)間更長(zhǎng)，而且出現(xiàn)溫度極值的時(shí)間點(diǎn)更為分散。溫度值出現(xiàn)第 1 次極值后，在熱尾流擴(kuò)散的過(guò)程中，圖 4 展示的中間截面 8 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度值下降規(guī)律近似相同，曲線相互交錯(cuò)下降。而圖 3、圖 5展示的左右 2 個(gè)截面每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線更分散。中間截面熱流主要由熱尾流直接浮升而來(lái)。由于浮升路徑最短，擴(kuò)散時(shí)間也短，與周圍流體發(fā)生的換熱量也相對(duì)較少，因此，中間區(qū)域主要由溫度相對(duì)較高的熱流組成。當(dāng)浮升到與空氣的交界面后熱尾流向兩側(cè)擴(kuò)散，從而導(dǎo)致中間截面熱尾流溫度逐漸下降。到達(dá)左右兩側(cè)截面熱流不僅包含從水下浮升而來(lái)的熱尾流還包含從中間截面擴(kuò)散去的熱流，在浮升和擴(kuò)散過(guò)程中不可避免地與周圍流體摻雜混合，形成冷熱相間的流體團(tuán)，因此左右截面測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)更為劇烈，而且溫度下降趨勢(shì)更緩慢，冷熱流浮升截面圖如圖 6所示。

根據(jù)潛艇熱尾流在水面上的溫度分布，水面熱尾流區(qū)域可認(rèn)為由 2 個(gè)區(qū)組成，即熱流區(qū)和冷熱流混合區(qū)。熱流區(qū)中熱流團(tuán)相對(duì)于冷流團(tuán)的占比更高，可認(rèn)為幾乎全部由熱流團(tuán)構(gòu)成。因此，此區(qū)域相對(duì)于其他區(qū)域溫度更高；隨著熱尾流的擴(kuò)散，冷熱流發(fā)生對(duì)流及傳導(dǎo)換熱，出現(xiàn)冷熱流混合區(qū)。此區(qū)域的特點(diǎn)是冷流團(tuán)及熱流團(tuán)無(wú)規(guī)律分布，溫度相對(duì)于熱流區(qū)較低。熱尾流進(jìn)一步擴(kuò)散，熱量將被熱沉（恒定溫度的水環(huán)境）繼續(xù)吸收，從而溫度進(jìn)一步降低，直至與熱沉溫度相同，熱尾流演化過(guò)程示意圖如圖 7 所示。

使用紅外熱像儀拍攝潛艇尾流圖片如圖 8 所示。紅外攝像儀拍攝得到的圖片中顯示的溫度需要通過(guò)其他參數(shù)設(shè)定而求解得到，存在一定誤差。因此紅外圖片只是起到輔助觀測(cè)作用，實(shí)驗(yàn)溫度值仍以鉑電阻溫度傳感器測(cè)量值為準(zhǔn)。

通過(guò)熱尾流紅外圖片可以進(jìn)一步確認(rèn)，熱尾流的分布規(guī)律。水面熱尾流組成的三角形區(qū)域中沿中線的區(qū)域幾乎全部由高溫亮色區(qū)域組成，隨著尾流的進(jìn)一步擴(kuò)散亮色區(qū)域逐漸與暗色區(qū)域混合（冷熱流混合），出現(xiàn)無(wú)規(guī)律亮暗相間混合的區(qū)域。紅外圖片展示的冷熱流分布規(guī)律與鉑電阻測(cè)量得到的溫度分布規(guī)律非常吻合。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）潛艇熱尾流在水面上的分布可分為 2 個(gè)區(qū)域，分別是熱流區(qū)和冷熱流混合區(qū)。熱流區(qū)主要由溫度相對(duì)高的熱尾流組成，隨著熱尾流的擴(kuò)散形成了冷熱流混合區(qū)；

2）熱流區(qū)主要沿潛艇熱尾流組成的三角形區(qū)域中心線分布。此區(qū)域的熱流主要由潛艇熱尾流直接從水下浮升到水面形成。由于浮升到水面的路徑最短，與冷水發(fā)生的對(duì)流及熱傳導(dǎo)換熱最少，因此熱流區(qū)溫度相對(duì)于其他區(qū)域熱流所占比重更高，溫度也更高；

3）冷熱流混合區(qū)由從水下浮升而來(lái)的熱尾流及達(dá)到水與空氣界面向兩側(cè)擴(kuò)散的熱流組成。由于浮升路徑相對(duì)更長(zhǎng)，與周圍冷水發(fā)生的傳熱更多，因此此區(qū)域中冷、熱流團(tuán)同時(shí)無(wú)規(guī)律存在于水表面，而且熱流團(tuán)溫度相對(duì)熱流區(qū)較低；

4）冷熱流混合區(qū)溫度無(wú)規(guī)律性變化，這是由于熱流無(wú)規(guī)則擴(kuò)散造成。熱流的擴(kuò)散主要受到熱尾流自身溫度、水溫、潛艇深度、排放熱尾流流量、潛艇螺旋槳轉(zhuǎn)速及擴(kuò)散過(guò)程中水的流動(dòng)特性等因素的影響，因此非常復(fù)雜。

[1]韓晶, 趙朝方. 海洋遙感技術(shù)在探測(cè)潛艇中的應(yīng)用 [J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5(3): 67–70.

HAN Jing, ZHAO Chao-fang. Application of ocean remote sensing technology in submarine detection [J]. Equipment Environmental Engineering, 2008, 5(3): 67–70.

[2]王建華, 趙浩淞. 機(jī)載紅外探潛系統(tǒng)綜述 [J]. 激光與紅外, 2013, 43(06): 599–603.

WANG Jian-hua, ZHAO Hao-song. Survey of airborned infrared system for submarine detection [J]. Laser & Infrared, 2013, 43(06): 599–603.

[3]朱海榮, 朱海, 劉金濤, 等. 水下航行器光學(xué)隱蔽深度測(cè)量系統(tǒng) [J]. 光學(xué)精密工程, 2015, 23(10): 2778–2784.

ZHU Hai-rong, ZHU Hai, LIU Jin-tao, et al. Measurement system optical concealment depth of underwater vehicle [J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(10): 2778–2784.

[4]張士成, 楊楨, 楊立, 等. 水下航行體自由表面波浪尾跡紅外特征及探測(cè) [J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(10): 2615–2620.

ZHANG Shi-cheng, YANG Zhen, YANG Li, et al. Infrared characterization and detection of free surface wave wake of underwater vehicle [J]. Laser & Infrared, 2012, 41(10): 2615–2620.

[5]崔國(guó)恒, 于德新. 非聲探潛技術(shù)現(xiàn)狀及其對(duì)抗措施 [J]. 火力與指揮控制, 2007, 32(12): 10–13.

[6]顧建農(nóng), 張志宏, 鄭學(xué)齡. 潛艇熱尾流特性的計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(1): 40–44.

[7]顧建農(nóng), 張志宏. 紅外探測(cè)水面艦船遠(yuǎn)場(chǎng)熱尾流的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算 [J]. 激光與紅外, 2005, 35(5): 341–344.

[8]張曉懷, 陳翾, 楊立. 潛艇熱尾流紅外特征分析與計(jì)算[J]. 紅外與激光, 2007, 37(10): 1054–1057.

[9]張修峰, 楊立, 吳猛猛, 等. 溫度梯度環(huán)境中潛艇尾流熱特性的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(5): 45–48.

Experimental study on infrared signature of thermal wake of remote control submarine

HU Ri-cha, GUO Liang, ZHANG Xu-sheng
(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130031, China)

This paper discusses thermal characteristics of surface thermal wake of remote control submarine in the water channel. In this research, influences caused by other structure features except self features of submarine are eliminated and diffusion process of thermal wake is reappeared accurately. According temperature distribution of thermal wake, this paper estimates that thermal wake of submarine consists of hot area and hot-cool mixed area, then forming process of abovementioned two areas is explained. Hot area is made of hotter water flow, of which temperature is higher than other areas. Correctness of thermal characteristics of thermal wake is verified by surface temperature field picture. This paper has reference value for infrared detection.

submarine；thermal wake；temperature

TK123

A

1672 – 7619(2017)06 – 0053 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.011

2016 – 08 – 07；

2016 – 09 – 05

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(Y4CX1SS144)；中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助項(xiàng)目(2015173)

胡日查(1986 – )，男，助理研究員，從事多相流傳熱與流動(dòng)等研究。