何心怡, 張迪洲, 祝 琳, 陳 雙, 白一惠

潛艇渦流速度特性數(shù)值仿真

何心怡, 張迪洲, 祝 琳, 陳 雙, 白一惠

(海軍研究院, 北京, 100161)

潛艇渦流以其持續(xù)時間長、尺度大、無法消除等特點, 成為各國海軍探潛技術的研究熱點。文中研究潛艇渦流特性及潛艇操縱產生的渦流運動特性, 探索提升反潛作戰(zhàn)能力的新途徑。通過對3型潛艇在相同深度(200 m)下的渦流運動速度與航速數(shù)值仿真, 以及相同航速(10 kn)下的渦流水平運動速度隨深度變化數(shù)值仿真, 可以發(fā)現(xiàn)渦流運動速度受潛艇尺寸、運動速度、潛深及浮力等參數(shù)影響, 其中浮力為渦流運動速度的主要影響因素。文中研究可為潛艇渦流速度特性提供有力支撐。

潛艇; 渦流速度; 數(shù)值仿真; 反潛作戰(zhàn)

0 引言

隨著高速計算技術的迅猛發(fā)展, 實時解算潛艇機動造成的微小環(huán)境變化已成為可能, 基于檢測潛艇機動導致的微小環(huán)境變化的探潛技術將成為水下探測技術的重要發(fā)展方向之一[1]。

潛艇航行時必將產生各類水動力學尾跡, 如:伯努利“水丘”、開爾文尾跡、內波尾跡及渦流尾跡等[2]。隨著潛艇研制技術的不斷發(fā)展, 潛艇由早期的以水上航行工況為主, 逐步過渡到以水下潛航工況為主, 其最大航深也越來越大, 在水面上的尾跡表征特征不斷弱化, 致使常見的伯努利“水丘”、開爾文尾跡和內波尾跡越來越微弱。而潛艇渦流尾跡(后簡稱潛艇渦流)以其持續(xù)時間長、尺度大、難以模擬、無法消除的特點對于探潛而言極具吸引力, 有望應用于對潛艇的檢測、識別、定位與跟蹤, 潛艇渦流探測技術研究已在國外不斷開展[3]。由于保密等因素, 僅查閱到有關潛艇渦流尺度特性[3-4]、潛艇渦流產生機理以及渦流有限元仿真等的報道[5-7]。文中旨在研究潛艇渦流特性及潛艇操縱產生的渦流運動特性, 并通過數(shù)值仿真, 進一步完善潛艇渦流特性的理論基礎, 以期支撐探索新質對潛探測技術的發(fā)展。

1 潛艇渦流特性分析

潛艇在密度分層流體中運動時, 由于重力及浮力的作用使得艇體將巨大的動能傳遞給周圍的水介質, 水介質與艇體的相互作用產生了渦流。潛艇渦流特性主要表現(xiàn)在流場內密度水動力變化, 渦流的空間分布與潛艇航跡相契合, 并具有持續(xù)時間長、難以模擬、受海況影響小和無法消除等特點。

雷諾數(shù)決定流體動量與黏性之間的比重, 該比重決定了海水擾流潛艇時流動分離以及漩渦脫落的形式。雷諾數(shù)定義為在流體動力慣性力對黏滯力比值的無量綱數(shù)

圖1 不同雷諾數(shù)下光滑圓柱體尾部渦流脫落形式

基于上述理論, 計算英國特拉法爾加級潛艇、美國俄亥俄級潛艇、俄羅斯阿庫拉級潛艇的雷諾數(shù), 3型潛艇參數(shù)如表1所示[9-11], 其中, 特拉法爾加級潛艇采用5 900 t的水下排水量作為計算參數(shù)。

表1 三型潛艇參數(shù)列表

2 潛艇操縱引起的渦流運動特性

在實際海洋環(huán)境中, 潛艇在水下潛航時將不時加速、減速和轉向, 致使其動量傳遞給周邊流體, 在潛艇尾部產生大渦流。該渦流存在時間長, 水平尺度可達幾公里。

圖2 3型潛艇雷諾數(shù)與航速關系曲線

潛艇渦流的水平運動速度為

潛艇渦流的垂直運動速度為

由式(2)和式(3)可知, 潛艇操縱引起渦流的傳輸速度與潛艇自身的浮力、航速和物理尺度有關, 與潛艇浮力成正比, 與潛艇航速及艇身直徑成反比。其中浮力變化為

將式(4)分別代入式(2)和式(3), 得出潛艇操縱下渦流的水平運動速度為

垂直運動速度為

基于上述公式對潛艇產生的渦流運動速度進行仿真分析, 從而為后續(xù)新質探潛技術提供支撐。

3 潛艇渦流運動速度特性數(shù)值仿真

對特拉法爾加級潛艇、俄亥俄級潛艇和阿庫拉級潛艇的渦流運動速度進行數(shù)值仿真, 潛艇參數(shù)設置見表1。在數(shù)值仿真中設最大海深為600 m, 海水密度變化范圍為1025～1 027 kg/m3, 如圖3所示(①～③分別代表3個不同海域海水密度變化情況), 此處仿真取海水密度為1 025 kg/m3, 潛艇操縱所引起的浮力變化為總浮力的萬分之一。

圖3 海水密度變化示意圖

3.1 特拉法爾加級潛艇渦流運動速度數(shù)值仿真

3.1.1 與航速的數(shù)值關系

當潛艇航深為200 m時, 對潛艇的渦流速度進行仿真, 仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 潛艇渦流水平運動速度隨航速變化曲線

圖5 潛艇渦流垂直運動速度隨航速變化曲線

3.1.2 與航深的關系

當航速為10 kn時, 潛艇渦流水平運動速度與航深關系的仿真結果如圖6所示。

圖6 潛艇渦流水平運動速度隨航深變化曲線

3.2 俄亥俄級潛艇渦流運動速度數(shù)值仿真

3.2.1 與航速的數(shù)值關系

當潛艇航深為200 m時, 對俄亥俄級潛艇的渦流運動速度進行數(shù)值仿真, 如圖7和圖8所示。

圖7 潛艇渦流水平運動速度隨航速變化曲線

圖8 潛艇渦流垂直運動速度隨航速變化曲線

3.2.2 與航深的關系

圖9 潛艇渦流水平運動速度隨航深變化曲線

3.3 阿庫拉級潛艇渦流運動速度數(shù)值仿真

3.3.1 與航速的數(shù)值關系

圖10 潛艇渦流水平運動速度隨航速變化曲線

3.3.2 與航深的關系

圖11 潛艇渦流垂直運動速度隨航速變化曲線

圖12 阿庫拉級潛艇渦流水平運動速度隨航深變化曲線

綜上, 通過對3型潛艇渦流運動速度進行仿真可以發(fā)現(xiàn): 潛艇渦流運動速度與潛艇航速、航深相關, 表現(xiàn)在渦流運動速度均隨著航速或航深增加而降低。

4 仿真結果與分析

對3型潛艇進行相同航深下(200 m)渦流運動速度與航速數(shù)值仿真, 以及在相同航速(10 kn)、不同航深下, 潛艇渦流水平運動速度隨航深的變化關系進行仿真, 分析潛艇級別、航速及航深對渦流運動速度的影響。

4.1 相同航深下潛艇渦流運動速度數(shù)值仿真

由圖13和圖14可知: 3型潛艇渦流運動速度的變化趨勢相同, 其渦流運動速度均隨航速的增大而降低; 3型潛艇中, 渦流水平運動速度與渦流垂直運動速度最大的為美國俄亥俄級潛艇, 其排水量為18 750 t, 遠大于另外2型潛艇, 由此可知,影響潛艇渦流運動速度的主要因素為潛艇浮力。

圖13 3型潛艇渦流水平運動速度隨航速變化曲線

圖14 3型潛艇渦流垂直運動速度隨航速變化曲線

俄亥俄級潛艇、特拉法爾加級潛艇和阿庫拉級潛艇的渦流垂直運動速度分別為0.035 m/s, 0.018 m/s和0.015 m/s, 在航深為200 m時, 其渦流傳遞到水面的時間分別為1.58 h、3.08 h和3.7 h, 由此可知潛艇航深越大, 其水動力傳遞到水面所需時間越久。

4.2 相同航速下渦流運動速度數(shù)值仿真分析

由圖15可知, 在相同航速下, 3型潛艇渦流水平運動速度隨航深增加而降低; 3型潛艇中浮力較大的俄亥俄級潛艇具有較大的渦流運動速度, 說明浮力變化相似時, 潛艇物理尺度越大, 渦流運動速度越大, 當潛艇浮力變化越大時, 渦流運動速度以其浮力為主, 其尾部產生的渦流特征越明顯。

5 結束語

圖15 3型潛艇渦流水平運動速度隨航深變化曲線

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Characteristics Simulation of Submarine Vortex Velocity

HE Xin-yi, ZHANG Di-zhou, ZHU Lin, CHEN Shuang, BAI Yi-hui

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Submarine vortex detection technology has become a research hotspot for navies in various countries due to the characteristics of the vortex, including long duration, large scale, and inability to eliminate. The submarine vortex characteristics and the motion characteristics of the vortex generated by submarine maneuvering are discussed in this paper, along with some new ways to improve anti-submarine operational capability. A simulation analysis of three types of submarines was carried out, analyzing the vortex motion speed and ship speed with the same depth(200 m) and the vortex horizontal movement speed with depth under the same ship speed(10 kn). The simulation results show that the vortex motion speed is related to parameters such as the size, motion speed, diving depth, and buoyancy of submarines, among which the buoyancy is the most significant. The findings in this paper can provide references for the study of the submarine vortex velocity characteristics.

submarine; vortex velocity; numerical simulation; anti-submarine operation

何心怡, 張迪洲, 祝琳, 等. 潛艇渦流速度特性數(shù)值仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2022, 30(2): 178-183.

TJ630.3

A

2096-3920(2022)02-0178-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.006

2022-01-20;

2022-03-15.

何心怡(1976-), 男, 博士, 正高級工程師, 主要研究方向為水中兵器、水聲信號處理技術.

(責任編輯: 楊力軍)