水下航行体热尾流浮升特性研究

张昊春，吉　宇，马　锐，李　垚，严利明，秦　江

(1．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001; 2．中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064; 3．哈尔滨工业大学复合材料研究所，黑龙江哈尔滨150001)

水下航行体热尾流浮升特性研究

张昊春1，吉宇1，马锐2，李垚3，严利明1，秦江1

(1．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001; 2．中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064; 3．哈尔滨工业大学复合材料研究所，黑龙江哈尔滨150001)

摘要:水下航行体排放的热尾流的浮升规律及其水面温度分布特征是红外探测的基础。本文从热尾流形成过程出发，建立水下射流的二维计算模型。基于Fluent软件的湍流数学模型，对温度分层和均匀环境介质中的热尾流的浮升特性及水面温度分布进行数值计算，并以VOF方法追踪了温度分层环境中的尾流界面，得到热尾流的轨迹与温度的衰减规律，对比分析温度分层环境与均匀介质环境中的异同。

关键词:水下航行体;热尾流;浮升规律;温度分布;数值模拟

Buoyant characteristics of thermal wakes discharged by underwater vehicles

ZHANG Hao-chun1，JI Yu1，MA Rui2，LI Yao3，YAN Li-ming1，QIN Jiang1
(1．School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China; 2．China Ship Development and Design Institute，Wuhan 430064，China; 3．Center for Composite Materials，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Abstract:The buoyant characteristics and temperature distribution of thermal wakes discharged by underwater vehicles are the basis of the detection with infrared technology．This paper started from the formation of thermal wakes，and established a two－dimensional model about the submerged buoyant jet．Using the turbulent flow model in Fluent software，the numerical simulation in temperature stratification case and homogeneous environmental media case were derived，and obtained the buoyant laws as well as temperature distribution．In addition，VOF method was adopted to trace the interface of jet in temperature stratification case; the trajectory of thermal wakes and the decay laws of its temperature were figured out as well．Then a comparison of in the temperature stratification case and in homogenous media case was carried out．

Key words:underwater vehicle; thermal wakes; buoyantcharacteristics; temperature distribution; numerical simulation

0　引言

水下航行体(如潜艇)由于其极强的隐蔽性与突袭性，成为现代海战中的重要作战手段。在发展潜艇技术的同时，对反潜技术的研究同样受到各国的高度重视。由于潜艇在水下航行时需要冷却动力装置，尤其是核潜艇，因此会向海洋中排放大量的温热海水而形成热尾流，热尾流浮升至海面会使海面水温发生异常。国外有专家估测，1台反应堆功率为190 MW的核潜艇每秒钟释放入海洋的热能多

达1.89×108J，在速度为5 kn时，它排出的热能使其身后的水温升高0.2 K［1］。随着遥感技术的发展，利用装载在飞机或卫星上的红外探测装置和高速摄像机等设备仪器可以发现水面上的热尾流，从而进行判断分析是否有潜艇。

为了解热尾流的形成机理与浮升规律，从而为红外探潜提供理论依据。国内外已有许多学者针对此问题从不同的角度来进行研究。Garber等［2］在1945年对舰船热尾流进行了开拓性的研究，并对其温度分布特征进行了实船探测; Garrett等［3］研究了潜艇排放的冷却水在相对稳定环境运动条件下和分层流中的流迹和衰减; Peltzer等［4］利用机载红外成像仪对Hayes号双体船的尾流进行遥感测量以研究紊流尾流热表面效应及少量有机物质对热表面效应的影响; Schwartz和Priest［5］从概率角度考虑了船尾热尾流与粗糙海面的红外对比度，对舰船尾流进行了红外遥感研究;美国海军研究实验室(NRL)开发了一个舰船紊流尾流计算的通用程序TWAKE［6］，采用定常、三维、时间平均抛物线型N－S方程及k－ε封闭模式，利用有限元方法进行计算; Yang和Gu等［7－12］对水下栖息潜艇形成的热尾流的浮升与衰减规律进行了大量的理论与实验研究。此外，在射流研究方面，Larsen等［13］研究了横流中的浮力射流特性并比较了积分模型与k－ε模型; K.Harby等［14］通过实验研究了液态环境中淹没的横向气体射流的流动特性; Masaki和Seiji［15］利用分布式注入模型研究了分层的热水箱中的横向射流的特性。

本文将水下航行体排放冷却水与螺旋桨搅动行为的作用结果视为“热射流”，分别建立温度分层环境中与均匀介质环境中的射流模型，利用有限体积法进行数值计算分析，得到了热尾流的温度分布特性以及浮升扩散过程中的衰减规律。同时，利用VOF (Volume of Fluid)方法追踪“热射流”的界面。

1　数理模型

1.1计算模型及参数

本文所采用的计算模型基于二维结构，计算区域为50 m×10 m;水下航行物体模型位于计算区域的下部，距离底面2.5 m，距离左侧速度入口18.5 m，整个计算区域中充满海水，水面和水底均采用刚性壁面边界条件。由于在实际情况下，所排放的冷却水全被螺旋桨卷吸进入尾流的中心区域，因此热尾流形成的初始阶段因冷却水而温度升高的区域在尾流的中央，其尺寸一般由螺旋桨的直径Dr决定，通常为潜艇直径D的一半。因此本文的研究重心在于所形成的热尾流在海水中的浮升扩散，而将螺旋桨与冷却水的作用结果直接视为圆形“热射流”，如图1所示。

图1　计算区域示意图Fig.1　The schematic view of calculation area and its geometry

为了考察热射流的浮升扩散特性，在本文的数值模拟中，分别建立了温度分层和均匀介质海水模型。考虑到具体的海洋情况，在温度分层计算模型中，以交界面处为界，上层介质为T1= 293.15 K的海水，下层介质为T2=290 K的海水，相关物性均以实际数据为准。由于海洋的分层现象，在潜艇航行的水层，其相对于海水的速度应大于无潜艇航行的水层，因此设定上层水流速度为0.8 m/s，下层速度为1 m/s;出口为自由出流。相应地，在均匀海水介质模型中，整个计算区域中的海水均为T = 293.15 K。

由于海水与水下物体壁面的摩擦、冷却水的排放以及螺旋桨搅动等综合因素，因此在本文的计算中，设定射流出口温度为Tjet= 310 K，速度v=0.4 m/s。

本数值模型通过网格独立性检验后采用混合网格进行计算，所选流动模型为非稳态Realizable k－ε模型，并采用VOF方法跟踪了温度分层计算模型中的“热射流”界面。

1.2流动传热控制方程

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

其中

状态方程:

第p相的体积分数方程［16］:

式中:ρ为流体密度; ui(i = 1，2)分别为x，y方向的速度分量; p为流体静压;μ为流体的动力粘度; cp为定压比热; T为温度; Pr为流体的普朗特数; gi为重力加速度分量;αp为第p相的体积分数。

湍流动能方程为:

湍流耗散率方程为:

2　计算结果与分析

水下航行体排放冷却水时，由于冷却水温度较高，排出后则处于跟周围的海水进行热量、质量和动量交换的过程。考虑到温度分层情况下，所得到的温度场、速度场及相分布云图如图2～图4所示。

图2　温度分层环境中的温度场分布Fig.2　The temperature field in temperature stratification case

图3　温度分层环境中的速度场分布Fig.3　The velocity field in temperature stratification case

图4　温度分层环境中的相分布Fig.4　The phase distribution in temperature stratification case

由上述计算结果可以看出，在温度分层环境中，冷却水等形成的“热射流”对整个计算区域的温度场分布有较大的影响，在竖直方向上，原有的两层温度水域中出现了连续的温度变化，而水下航行体的运动对速度场也产生了很大的影响，潜艇附近出现了明显的绕流现象，进而造成上层水域的速度有一定范围的增大。为了获得热尾流在扩散过程中的温度衰减变化特性，对比艇后不同位置处海水温度随距离水面深度的变化曲线如图5所示。

从图5可看出，所排放的温水对于水下航行体下部水域的影响较小，仅在热尾流附近引起了较大的温度变化，但在上部水域中形成了明显的“冷特征”。此现象是由于热射流在浮升扩散过程中，与外部水域存在较强烈的动量交换和质量交换，导致下层温度较低的水被翻至近水面处。同

时也可以看出，随着艇后距离的加大，温度分布曲线的峰值有所减小，即存在温度衰减现象且在距离艇尾较近的区域，尾流温度衰减较快，随着与艇体距离的增大，热尾流的温度衰减越来越缓慢。

图5　艇后不同位置处海水温度深度变化情况Fig.5　Variation of temperature with depth in different distances away from submarine

同时，对于均匀介质海水的计算模型，其温度场分布与速度场分布如图6和图7所示。

图6　温度均匀海水中的温度场分布Fig.6　The temperature field in uniform temperature case

图7　温度均匀海水中的速度场分布Fig.7　The velocity field in uniform temperature case

从图中可看出，在均匀介质环境中，艇体对于海水域的扰动也很大，速度场基本与温度分层环境无太大差别，但是温度场的分布却存在很大的差异，除形成的“热射流”附近有明显的温度变化之外，其余的区域基本上没有受到影响。造成此现象的原因可能在于，均匀介质环境中的密度差异较小以至于尾流不易于浮升至水面，从而很难在水面上形成较明显的温度变化。

将温度分层与均匀介质海水模型中所得到的水面温度对比可以发现(见图8)，前者呈现出明显的“冷尾流”特征，且在所计算的区域内随着尾流的扩展，水面温度越低，最大温差可以达到0.35 K;而后者几乎看不到水面上有任何的温度变化，即尾流引起的水面冷热特征很微弱。

图8　温度分层与均匀温度海水模型中水面温度变化Fig.8　The temperature on the water surface in the temperature stratification case and uniform temperature case

3　结语

本文针对于水下航行体在运动过程中所排放的冷却水和螺旋桨搅动等行为对周围的水域所造成的扰动，依据流体流动与传热特性，建立了二维的热尾流浮升扩散模型，分析了热尾流形成、浮升和衰减过程的特性，利用Fluent软件进行了数值计算，得到主要结论如下:

1)相同运动条件下，温度分层环境中的尾流更容易扩散浮升至水面，且在水面上形成明显的“冷尾流”特征，最大温差可达0.35 K;而在均匀介质海水模型中，由于密度与温度几乎无差异，因此水下的“热射流”难以浮升至水面上，水面上没有显著的温差。

2)温度分层环境中的热尾流在浮升扩散的过程中，在竖直方向上形成了一定的温度变化，且在越接近水下航行体的深度，温度变化越剧烈，而在离水下物体较远的深度处，温度变化较缓慢。

3)随着艇后距离的加大，峰值温度在不断的减小，即存在温度衰减特性，且越靠近潜艇，尾流温度衰减越快。这在一定程度上能给红外探测提供相应的理论支持。

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作者简介:张昊春(1977－)，男，副教授，从事高速飞行器热控技术、红外隐身、工程热力学和传热传质学研究。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(91216123) ;国家自然科学基金创新研究群体资助项目(51121004)

收稿日期:2014－11－18;修回日期: 2014－12－08

文章编号:1672－7649(2015) 07－0024－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.006

中图分类号:U661．1

文献标识码:A