楊圣言,蔣小勤,周文進,方頻捷,王建中
(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢 430033)
潛航體激發(fā)類開爾文內(nèi)波的垂向數(shù)值紋影實驗研究
楊圣言,蔣小勤,周文進,方頻捷,王建中
(海軍工程大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢 430033)
運用垂向數(shù)值紋影實驗技術(shù)(NSS_V),研究了潛航體模型在線性分層流體中激發(fā)內(nèi)波的形態(tài)特征,測量了類開爾文V形內(nèi)波的張角、航行方向內(nèi)波波長λx與內(nèi)弗羅德數(shù)(Fr=U/DN)之間的關(guān)系。實驗表明:V型內(nèi)波張角隨著弗羅德數(shù)增大而減小,在Fr=1附近出現(xiàn)一個異常緩變平臺;波峰線相關(guān)波長λx與弗羅德數(shù)呈線性關(guān)系:λx=8.57Fr+1.74。對比實驗表明潛航體的指揮塔對三維內(nèi)波流場影響主要表現(xiàn)為其體積效應(yīng)及角區(qū)的湍流尾跡效應(yīng)。
數(shù)值紋影;潛航體;分層流;內(nèi)波;湍流尾跡
隨著潛艇消聲降噪技術(shù)的廣泛應(yīng)用,傳統(tǒng)聲學(xué)方法探測潛艇已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代潛艇探測的要求,這就促進了非聲探測潛艇技術(shù)的發(fā)展。由于潛艇運動產(chǎn)生的內(nèi)波信號,可作為魚雷跟蹤與制導(dǎo)的目標(biāo)特征信號;探潛與潛艇隱身的博弈,對認(rèn)識潛航體在分層流體中激發(fā)內(nèi)波的目標(biāo)特征提出了更高的要求。
對于潛航體在分層流中激發(fā)的內(nèi)波,現(xiàn)有文獻已經(jīng)從流體力學(xué)理論、數(shù)值模擬以及實驗等諸多方面開展了大量的研究工作。近年來,梁川[1]、魏崗[2]以及李萬鵬[3]分別從不同的方面研究了內(nèi)波的特征,內(nèi)波實驗研究通常采用鹽度分層或溫度分層構(gòu)造所需的密度剖面[4],相應(yīng)的測量方法有電導(dǎo)率探頭、溫度探頭,用于測量探頭位置的內(nèi)波信號(波幅、脈動頻譜等);激光PIV技術(shù)原則上可以測量一個截面內(nèi)的速度場,從而獲得內(nèi)波在該截面上產(chǎn)生的流場結(jié)構(gòu),但實際上由于內(nèi)波流場速度通常極為緩慢,以及分層流體中布放長時間穩(wěn)定的示蹤粒子存在較大困難,使得激光PIV技術(shù)在內(nèi)波微弱流場測量中的應(yīng)用受到很大的限制,周文進[5]運用表面PIV技術(shù)研究了潛體在分層流體中運動激發(fā)內(nèi)波傳遞到流體表面的特征;數(shù)值紋影技術(shù)是一種非接觸式光學(xué)測量,可以方便地得到內(nèi)波場的全場信息,對于內(nèi)波場的整體特征有很好的展示。1998年Dalziel[6]等最初運用數(shù)值紋影技術(shù)研究二維內(nèi)波場;Stuart B Dalziel[7]等于2007年利用數(shù)值紋影技術(shù)進行內(nèi)孤立波的實驗研究;中國海洋大學(xué)內(nèi)波研究室與清華大學(xué)精密儀器系合作研制成功一種大型立式紋影儀[4]。
對于潛航體激發(fā)的三維內(nèi)波場,以電導(dǎo)率探頭為代表的局部定量測量與以數(shù)值紋影為代表的半定量全局觀測,目前處于各有優(yōu)缺點、互為補充的狀態(tài)。從軍事應(yīng)用的角度來看,潛航體激發(fā)的三維內(nèi)波場的水平分布是重要的目標(biāo)特征,所以本文作者在水平數(shù)值紋影技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展了垂直數(shù)值紋影技術(shù),實驗觀測了潛航體在線性分層流體中運動產(chǎn)生的類Kelvin波[8],研究了波長和張角隨無綱量常數(shù)弗羅德數(shù)的變化規(guī)律、還就帶指揮塔附體與不帶指揮塔拖曳潛航體在分層流體中運動激發(fā)的三維內(nèi)波開展了對比試驗研究。本文介紹利用垂向數(shù)值紋影技術(shù)測量潛航體三維內(nèi)波目標(biāo)特征的實驗結(jié)果。
實驗水槽安裝在面積約50 m2的房間內(nèi),室溫約為20 ℃,實驗時關(guān)閉門窗減小空氣流動;水槽用不銹鋼架和透明的鋼化玻璃制成,水槽長度L=2 400 mm,水槽深度H=800 mm,水槽寬度W=800 mm;利用架設(shè)在水槽上方的一面傾斜45°的鏡子,實現(xiàn)從水平方向拍攝獲取垂向觀測圖像。與實驗相關(guān)的幾何參數(shù):相機距鏡子的距離為L1,鏡子據(jù)水面的距離為L2,水深為L3,模型中心距離水底的距離為L4,水槽底部距點陣的距離為L5。
拖曳模型為基洛級潛艇模型,模型頭部為半橢球形,尾部為細(xì)長流線錐形。該模型的縮比為1:350,模型主體參數(shù)為:模型長度Lm=200 mm,模型最大直徑Dm=30 mm;指揮塔參數(shù)為:指揮塔的高度Th=13 mm,指揮塔的長度Tc=41 mm,指揮塔的最大寬度Tk=5 mm,指揮塔頭部距模型首端距離Td=62 mm。為做對比實驗,部分實驗將模型指揮塔去掉,只留下模型主體部分。
模型拖曳系統(tǒng)(見圖1)由微型減速電機驅(qū)動,電機額定電壓為12 V。直流電源輸出電壓在3~20 V可調(diào),控制精度為±0.01 V。在此電壓區(qū)間內(nèi),測得電壓和拖曳速度成線性關(guān)系。
為了增加拖曳過程中模型的穩(wěn)定性,在模型控制塔上設(shè)置1根帶圓孔的引導(dǎo)桿,并且在拖曳線上方設(shè)置1根與模型運動方向平行且穿過導(dǎo)引桿圓孔的引導(dǎo)線,引導(dǎo)線一端固定在水槽壁上,另一端懸掛一重物,產(chǎn)生恒定的張力,使引導(dǎo)線拉直,起到穩(wěn)定模型的作用。實驗時,模型距水槽底面高度L4=270 mm。若無特殊說明,文中模型距水面(或底面)距離均指模型中心(即拖曳線)距水面(或水底)距離。
圖 1 分層流水槽潛航體拖曳系統(tǒng)Fig. 1 Submerged tank trailer system with layered sink
為得到線性密度分層,本文采用多ρ層等密度差分層技術(shù)[9],先往水槽中注入一層淡水(厚度為2 cm),再利用自制的碟形出閥貼近水槽底板,依次水平噴注鹽水,其鹽度逐步線性遞增(每層的厚度相同),由于擴散效應(yīng),原階梯形密度分布1-2天之后就會變成較為理想的密度線性分層剖面。本實驗每層鹽水厚度為2 cm,每層鹽水的密度差為0.002 9 g/cm3,共24層,運用電導(dǎo)率儀及玻璃密度計得到的實際密度分層剖面如圖2曲線a所示,圖2曲線b是相應(yīng)的浮力頻率曲線??梢姵吮砻婕暗撞枯^薄層之外,在整個水體的大部分區(qū)域內(nèi)分層流體的密度呈線性變化,其浮頻率近似為常數(shù),約為N=1.2左右。
圖 2 分層流密度剖面及浮頻率曲線Fig. 2 Density profile and floating frequency curve
圖 3 水平數(shù)值紋影儀光路原理圖Fig. 3 Level NSS optical schematic
分層流內(nèi)波場是現(xiàn)代數(shù)值紋影技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域,對于二維內(nèi)波場,J. Fluid Mech[11]建立了水平數(shù)值紋影測量的理論及實驗方法,理論推導(dǎo)了“表觀位移”與介質(zhì)密度變化的定量關(guān)系,并成功運用于振動圓柱體激發(fā)的二維內(nèi)波場的水平數(shù)值紋影觀測。圖3是水平數(shù)值紋影成像光線軌跡的示意圖,理論分析表明對于水平數(shù)值紋影觀測系統(tǒng),當(dāng)光束水平穿越穩(wěn)定分層流水槽的二維內(nèi)波場時,光束的軌跡近似為拋物線,這是運用數(shù)值紋影技術(shù)對二維內(nèi)波場進行定量觀測的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。對于拖曳球體激發(fā)的三維內(nèi)波場,目前水平數(shù)值紋影只能得到“表觀位移”與密度擾動場沿水平展向的“寬度平均”的關(guān)系[11],因而還是一種半定量的測量。盡管如此,由水平數(shù)值紋影圖像相關(guān)計算得到的“表觀位移場”還是為研究者提供了潛航體三維內(nèi)波場的許多重要信息。
如果將水平方向觀測改為垂直方向觀測,原則上就成為“垂向數(shù)值紋影”,這里存在一個重要的差別就是:垂向光束在分層水體中的軌跡一般不再是拋物線,因為垂向光束在各處的偏轉(zhuǎn)程度(曲線斜率)與分層流的密度剖面或者說折射率剖面密切相關(guān),圖4是垂向數(shù)值紋影成像光線軌跡的示意圖;圖中,光線穿過穩(wěn)定的密度分層水在CCD相機的像平面上成像為P'點,在穿過有擾動的密度分層水時,會在CCD相機的像平面上成像為Pquot;點。然而,由于“數(shù)值紋影”測量內(nèi)波場的核心并不是光束在分層流中的軌跡形狀本身,而是Mask圖像像點的“表觀位移”與內(nèi)波引起的“折射率脈動場”的關(guān)系?;谶@個分析,本文研究者開展了潛航體(拖曳球體、拖曳潛艇模型)在分層流中激發(fā)的三維內(nèi)波場的垂向數(shù)值紋影觀測實驗,得到了三維內(nèi)波場在水平面內(nèi)的分布特征圖像。
圖 4 垂向數(shù)值紋影光路原理圖Fig. 4 Vertical NSS optical schematic
本文設(shè)計的垂向數(shù)值紋影拍攝系統(tǒng),采用1臺CCD攝像機通過一面45°反射鏡實現(xiàn)垂直向下觀測位于水槽下方的隨機點陣圖像(Mask)。CCD攝像機的分辨率為1 920×1 080像素,拍攝速度為24幀/s。為了消除表面興波對垂向數(shù)值紋影(NSS_V)觀測的影響,可以在水面上懸置一透明平板(有機玻璃)。實驗所用隨機點陣圖(Mask)的灰度值在0~225隨機分布,隨機點的線度影響數(shù)值紋影儀的空間分辨率,通常以隨機點在CCD圖像上的大小約為3×3個像素為宜;系統(tǒng)采用2臺白熾幻燈機作光源分別從左右2個方向照亮隨機點陣圖(Mask),并盡可能減少背景雜散光的影響。
為直觀地展示內(nèi)波場的時空分布特征,本文采用偽彩圖表示潛航體內(nèi)波產(chǎn)生的數(shù)值紋影“表觀位移場”。偽彩圖的坐標(biāo)為計算表觀位移場的圖像相關(guān)區(qū)域的個數(shù),其空間尺度的大小由CCD攝像范圍決定,本文采用模型的尺寸對偽彩圖的坐標(biāo)進行標(biāo)定。對于給定像素的數(shù)碼相機,圖像相關(guān)計算區(qū)域的像素越少,顯示分辨率越大;偽彩圖的色彩表示光束的表觀位移量,偽彩圖顏色的深淺代表表觀位移的強弱,參見相應(yīng)的色標(biāo)圖。
由圖5可見,線性分層流體中內(nèi)波波系表現(xiàn)為典型的類Kilven水面波系,V字型張角與模型運動方向相同,開口與模型運動方向相反。試驗結(jié)果表明,弗羅德數(shù)較低,雷諾數(shù)也較低時,湍流尾跡效應(yīng)不明顯時,拖曳潛航體激發(fā)的機制主要是其體積效應(yīng),在隨體運動參照系中類Kilven V型內(nèi)波具有較好的定常性。在地面參照系中觀察,V型內(nèi)波的張角隨時間演化逐漸變??;在隨體運動參照系中則表現(xiàn)為:在模型運動的下游距離越遠(yuǎn),V型內(nèi)波的張角越小。圖6是V型內(nèi)波的張角隨無量綱距離(L/D)的變化曲線。
圖 5 拖曳潛艇模型激發(fā)三維內(nèi)波的垂向數(shù)值紋影y方向表觀位移偽彩圖(帶指揮塔模型,模型深度200 mm,拖曳速度 42 mm/s,F(xiàn)r=1.0,Re=1 260)Fig. 5 3D Internal wave y direction data pseudo-color map with dragging submarine by vertical NSS (With the command tower model,H=200 mm,U=42 mm/s,F(xiàn)r=1.0,Re=1 260)
圖 6 V型內(nèi)波張角隨無綱量距離(L/D)變化曲線Fig. 6 The curve of the angle varies with L/D
實驗表明三維內(nèi)波場的V型張角隨著弗羅德數(shù)變化而變化。由于三維內(nèi)波場的V型波峰線的張角隨時間與空間位置而變化,本文就表觀位移場y方向偽彩圖中模型下游第2個V型波測量其張角,得到張角與弗羅德數(shù)的關(guān)系如圖7所示。
圖 7 V型內(nèi)波張角隨弗羅德數(shù)變化曲線Fig. 7 Internal wave angle with Fr change curve
為減小測量誤差,采用多次測量求平均的方法,圖7 給出了同一弗羅德數(shù)之下張角測量的上下界。測量結(jié)果表明:在弗羅德數(shù)為0.6~2.5的范圍內(nèi),內(nèi)波半角的大小整體變化趨勢為隨著弗羅德數(shù)的增加而減小;在弗羅德數(shù)為0.7~1.0范圍內(nèi),攻度與弗羅德數(shù)呈近似線性相關(guān),其擬合公式為在弗羅德數(shù)為1.3~2.0范圍內(nèi),角度與弗羅德數(shù)也呈近似線性相關(guān),其擬合公式為在弗羅德數(shù)為1~1.3附近,內(nèi)波張角呈現(xiàn)出一個緩變的平臺。對于回轉(zhuǎn)細(xì)長體模型,文獻[12]研究表明在弗羅德數(shù)為1附近時,內(nèi)波尾跡會從體積效應(yīng)為主向尾跡效應(yīng)過渡,圖7所示的V型內(nèi)波張角隨弗羅德數(shù)變化曲線在Fr=1附近的異常平臺應(yīng)該與激發(fā)內(nèi)波的機制轉(zhuǎn)變存在某種關(guān)聯(lián)。
波長是同一波射線上相位差為2π的兩點之間的距離,對于單色簡諧波波長的測量比較容易,但是對于潛航體激發(fā)的三維內(nèi)波場,要從實驗上測量其波長卻不是一件容易的事。本文采用垂向數(shù)值紋影方法,將三維內(nèi)波場的“垂向投影”用視頻直觀地呈現(xiàn)出來,潛航體激發(fā)內(nèi)波的類開爾文V型特征及其波峰線的演變過程得到清晰的展示。然而即使如此,由于內(nèi)波場特殊的色散性、群速度與相速度的不同向等特性,導(dǎo)致內(nèi)波的波長是時間與空間的函數(shù)從應(yīng)用的角度來看,人們最關(guān)心的是內(nèi)波場的目標(biāo)特性,圖5所示的波峰線的交角、間距、強度等就是最受關(guān)注的目標(biāo)特性。為了得到V型內(nèi)波波長隨弗羅德數(shù)Fr的變化規(guī)律,本文統(tǒng)一選取圖像縱坐標(biāo)為Ny=50的直線與模型下游第2、第3個波峰的截線為依據(jù),測量V型內(nèi)波在拖曳方向的波長,圖8是沿Ny=50提取的數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波后的曲線,圖中相鄰的峰峰(或谷谷)間隔就是。測量結(jié)果如圖9所示,在本文實驗弗羅德數(shù)范圍內(nèi),與弗羅德數(shù)近似呈正比關(guān)系,其線性擬合公式為
圖 8 沿Ny=50提取的數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波后的曲線Fig. 8 The data extracted along Ny=50 are then low-pass filtered
圖 9 內(nèi)波波長隨弗羅德數(shù)變化曲線Fig. 9 Internal wave wavelength with Froude number change curve
除了定常體積效應(yīng)之外,潛航體的非定常尾流場對分層流的擾動也是激發(fā)內(nèi)波的擾動源。潛艇的指揮塔向水面方向突出與艇體構(gòu)成垂直的角區(qū),這樣的角區(qū)會形成所謂馬蹄窩形復(fù)雜流場[13],必將影響潛艇尾跡流場乃至內(nèi)波尾跡目標(biāo)特性。為了觀測指揮塔突出物對細(xì)長體模型激發(fā)內(nèi)波尾跡的影響,本文開展了無附體潛艇模型與帶指揮塔潛艇模型的對比實驗。實驗結(jié)果表明當(dāng)拖曳速度較低時,帶指揮塔潛艇模型的角區(qū)流動湍流度較低,內(nèi)波尾跡形態(tài)表現(xiàn)為艇體的體積效應(yīng)與指揮塔的體積效應(yīng)兩部分的疊加,圖10(a)是帶指揮塔模型的垂向數(shù)值紋影圖(Fr=0.6,Re=756),指揮塔體積效應(yīng)激發(fā)的內(nèi)波表現(xiàn)為張角較小的窄V型,由于指揮塔的體積較小,窄V型內(nèi)波的存續(xù)時間較艇體激發(fā)內(nèi)波的要短,圖10(b)顯示在L/D∈[14.3,33.2]處窄V型內(nèi)波已不明顯;當(dāng)拖曳速度提高,指揮塔角區(qū)湍流度增大,指揮塔的體積效應(yīng)被湍流尾跡效應(yīng)替代,圖11(a)是帶指揮塔模型的垂向數(shù)值紋影圖(Fr=1.0,Re=1260),圖11(b)是相同條件下去掉指揮塔后的對比實驗結(jié)果(Fr=1.0,Re=1 260),可見在沒有指揮塔角區(qū)復(fù)雜流場擾動的情況下,細(xì)長艇體激發(fā)內(nèi)波的擾動源主要是其體積效應(yīng)。
圖 10 帶指揮塔模型低速拖曳時垂向數(shù)值紋影表觀位移矢量y方向數(shù)據(jù)偽彩圖(U=25.2 mm/s,F(xiàn)r=0.6,Re=756,h=200 mm)Fig. 10 Y direction data pseudo-color map with low velocity towing in the towing tower model (U=25.2 mm/s,F(xiàn)r=0.6,Re=756,h=200 mm)
在圖13(a)中存在2個波系,圖中虛線范圍內(nèi)有一個限制在尾跡區(qū)較小范圍內(nèi)的窄V型波系,當(dāng)拖曳速度增加時,窄V型波系便轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魑槽E(見圖11(a));當(dāng)去掉指揮塔后,這個湍流尾跡不復(fù)存在(見圖11(b))。這一事實表明指揮塔體積效應(yīng)激發(fā)的定常內(nèi)波只是在航速較低時存在,隨著速度的提高,受指揮塔與模型主體間的角區(qū)復(fù)雜流動的影響,窄V型波系便變成混亂的類湍流尾跡。值得注意的是這個湍流尾跡區(qū)比艇體體積效應(yīng)激發(fā)內(nèi)部的影響區(qū)域要窄的多。
圖 11 帶指揮塔與不帶模型的對比實驗,垂向數(shù)值紋影表觀位移矢量y方向數(shù)據(jù)偽彩圖(U=42 mm/s,F(xiàn)r=1.0,Re=1260,h=200 mm)Fig. 11 A comparative experiment with a control tower and without this (U=42 mm/s,F(xiàn)r=1.0,Re=1260,h=200 mm)
本文利用垂向數(shù)值紋影技術(shù)系統(tǒng)地研究了弗羅德數(shù)Fr與雷諾數(shù)Re對線性分層環(huán)境中潛航體激發(fā)三維內(nèi)波場的影響,模型實驗弗羅德數(shù):Fr∈[0.6,2.5],雷諾數(shù):Re∈[756,3 150],并且就帶指揮塔與不帶指揮塔模型激發(fā)的內(nèi)波場開展了對比試驗研究,得出如下結(jié)論:
1)利用垂向數(shù)值紋影技術(shù)可以觀測潛航體模型在線性分層流體中運動所激發(fā)的內(nèi)波,其特征為典型的類Kelvin波系,即內(nèi)波波峰線構(gòu)成V字形結(jié)構(gòu),V型內(nèi)波的張角隨時間(或空間位置離模型的距離)而逐漸減小。
2)在給定空間位置,V型內(nèi)波的張角隨著弗羅德數(shù)的增加而減小.在弗羅德數(shù)Fr∈[0.7,1.0]范圍內(nèi),V型內(nèi)波的張角與弗羅德數(shù)近似線性相關(guān),半攻度擬合公式為在弗羅德數(shù)Fr∈[1.3,2.0]范圍內(nèi),半攻度線性擬合公式為α = -24.81Fr+65.83。在Fr=1附近出現(xiàn)一個變化緩慢的平臺,與內(nèi)波尾跡從體積效應(yīng)向尾跡效應(yīng)過渡相關(guān)聯(lián)。
3)內(nèi)波沿運動方向的相關(guān)波長(即波峰線在x方向上的間距)隨著弗羅德數(shù)的增加而增加,無量綱線性擬合關(guān)系為
4)帶附體潛航體激發(fā)的內(nèi)波呈現(xiàn)出2個波系,其中張角較大的V型波系由艇體體積效應(yīng)激發(fā),而限制在尾跡區(qū)較小范圍內(nèi)張角較小的V型波系(低速拖曳時)由指揮塔的體積效應(yīng)激發(fā),由于指揮塔與艇體間復(fù)雜的角區(qū)湍流渦系的干擾作用,隨著速度的增大,窄V型內(nèi)波波系便不復(fù)存在,在垂向數(shù)值紋影圖像中變成非定常湍流尾跡。
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Experimental research on Kelvin class wake of underwater moving body by vertical numerical synthetic schlieren
YANG Sheng-yan, JIANG Xiao-qin, ZHOU Wen-jin, FANG Pin-jie, WANG Jian-zhong
(Department of Physics, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Apply from of the Vertical Numerical Synthetic Schlieren (NSS_V), studied morphological character of internal wave by underwater moving body in the stratified fluid with a linear density distribution, angle of Kelvin class wake,sailing direction wave wavelength with Froude number (Fr=U/DN) were measured. Angle of Kelvin class wake decreases with the increase of Froude number, and has an abnormal slowly changing platform appears in the vicinity of Fr=1; There is a linear relationship between wavelength of wave crest line λxand Froude number is λx=8.57Fr+1.74. In addition, experiments show that the influence of submerged body command tower of three-dimensional flow field of internal wavesmainly manifested as the volume effect and the turbulent wake effect by angular region.
numerical synthetic schlieren;underwater moving body;stratified fluid;internal wave;turbulent wake
U661.1
A
1672-7649(2017)11-0117-06
10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.022
2016-09-12;
2016-10-14
海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金資助項目(HJGSK2014G122)
楊圣言(1991-),男,碩士研究生,主要從事分層海水內(nèi)波現(xiàn)象研究。