基于OpenFOAM的波浪對艦船水壓場識別影響研究＊

呂連立 孫鶴泉 王繼光 黃鵬飛

（1.92493部隊 葫蘆島 125000）（2.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018）

（3.中國白城兵器試驗中心 白城 137001）

1 引言

艦船水壓場是指由艦船運動而引起的水底壓強變化，是水下武器識別艦船的重要判據。對艦船水壓場的研究可以為水下武器通過艦船水壓場實現對艦船的識別和攻擊提供理論依據，具有重要的軍事意義。國內對艦船壓力場的研究取得了很多積極成果，但主要研究方法是理論研究和實驗研究［1～5］，采用數值模擬方式進行的研究比較少見。

海表波浪是影響水下武器識別艦船水壓場的重要因素，在利用艦船水壓場對艦船進行探測或打擊時要予以考慮。波浪的主要影響在于其產生的水下壓力場的峰谷變化類似于艦船水壓場的負壓分布特征，對水下武器識別艦船水壓場有一定影響，能夠使水下武器將其誤判為艦船水壓場。分析波壓場分布，尤其是波壓場在水下分布和衰減情況，以及波壓場對于識別艦船水壓場的影響，對于利用水壓場對艦船進行識別和軍事打擊有重要作用。本文通過開源代碼OpenFOAM［6］建立了數值波浪水槽，對不同水深、不同波長、不同波高的規則波壓力場進行了模擬分析。

2 數值造波

二維數值波浪水槽的控制方程采用連續性方程和以速度和壓力為變量的不可壓縮粘性流的二維N－S方程［7］。連續性方程和動量方程分別如下表示：

其中，u和w分別為兩方向的速度分量，ρ為流體密度，ν為流體的運動學粘性系數，μ（x）為消波系數，在不同區域需要采用不同的消波系數。

本文采用OpenFOAM來實現數值波浪水槽，迭代求解上述偏微分方程組。OpenFOAM是Open Field Operation and Manipulation的簡稱，是應用于計算連續介質力學的C＋＋類庫，因其開源特性和可靠性能，在國內外得到了廣泛應用，目前在數值水槽的模擬方面也得到了很好的應用［8～11］。

本文采用自主開發移植到Windows操作系統下的OpenFOAM建立數值波浪水槽，實現數值造波與消波，并以此為基礎來分析波浪場對艦船水壓場的影響。OpenFOAM的造波模塊waveFoam是基于interFoam模型開發而來，可完成線性波、橢圓余弦波、擺線波、孤立波、Stokes波等波浪的模擬。本文采用Stokes波造波，通過設定具體的波浪參數，生成符合本文計算要求的數值波浪場，通過分析波壓場變化規律來研究其對水下武器識別艦船水壓場的影響。

由于能夠影響到水下武器識別艦船水壓場的是波壓場在水下的分布，因此必須分析波壓場隨深度的衰減變化，依據波壓場衰減規律來評估實際情況下波壓場在不同水深海底的分布情況，進而衡量其對水下武器識別艦船水壓場的影響。

為了能夠分析波浪壓力場的變化規律，并評估其對水下武器識別艦船水壓場的影響，本文共建立了水深為20m和40m的兩個數值波浪水槽，模擬了不同波長、不同波高條件下波浪壓強分布的變化規律。波浪水槽的左邊界為波浪輸入入口，右邊界為消波區域邊界，底邊界為壁面邊界，上邊界為壓力出口邊界。本文共設計了八組實驗，實驗參數如表1所示。本文根據數值模擬實驗的計算結果，系統地分析了波壓場隨水深變化的衰減規律。

以第三組實驗為例來介紹基于OpenFOAM數值造波的實現方法。首先采用開源代碼GMSH實現數值水槽模型的建立和網格劃分，通過Open－FOAM的網格轉換程序gmshToFoam轉換為Open－FOAM計算格式。設定waveFoam所需的波浪參數：水平面位置、造波類型、周期、圓頻率、水深、波數、波高等，同時還要設定造波區域和消波區域。

表1 數值造波實驗參數表

圖1表示距離左邊界20m處波高隨時間變化情況（以左邊界作為0點，0m～40m范圍為造波區域）。

圖1 距離左邊界20m處波面變化

3 波壓場計算

波浪對水下武器識別艦船水壓場的影響主要在于其波壓場的峰谷變化類似于艦船水壓場負峰壓力分布形態。波壓場峰谷壓力差類似于艦船水壓場負峰值，反映了波壓場的強度特征。定義波壓場峰谷差值Pmax＝PH－PL作為波壓場的特征參量，通過Pmax來衡量波壓場對水下武器識別艦船水壓場的影響情況。Pmax的數值是隨水深變化的，需要先分析Pmax值隨水深的變化規律，再分析Pmax對水下武器識別艦船水壓場的影響。如圖2～圖4所示，分別為第三組實驗中0.2m、10m、20m水深處的波壓場。

圖2 第三組中0.2m水深處的波壓場分布

圖3 第三組中10m水深處的波壓場分布

圖4 第三組中20m水深處的波壓場分布

由于表面波長為20m，水下波壓場波長變化的空間尺度也為20m。在水面（0.2m水深）Pmax值為3513Pa、10m水深處為180Pa、20m水深處為14Pa。半波長深度處Pmax值衰減為表面的5.1%，一倍波長深度處Pmax值衰減為表面的0.39%。

表2列出了水深20m和水深40m情況下數值波浪水槽模擬的不同波況下Pmax值在海表面、半波長深度和一倍波長深度處的大小。分析8組數值模擬實驗結果，半波長深度處波壓場強度已經顯著衰減，Pmax值在半波長深度處約為水表面強度的5%左右；當深度達到一倍波長深度處，波壓場已經不明顯，Pmax強度約為表面的0.5%以下，且多數情況下為0.2%左右。

表2 不同波動情況下的Pmax值

4 波壓場影響分析

結合數值模擬結果，本文分三種情況來分析波浪場對艦船水壓場的影響。

1）實際作戰海域水深大于當地波浪主波長時，Pmax值約為表面的0.5%以下，由海表波浪產生的壓差很小，可不考慮波浪場對艦船水壓場的影響。

2）實際作戰海域水深大于當地波浪主波長的一半但小于一倍波長時，Pmax值介于表面波壓的0.5%～5%之間，要根據實際情況下的水深和波長進行具體分析。

3）實際作戰海域水深小于當地波浪主波長的一半時，波壓場產生的水下負壓分布已經達到甚至超過艦船水壓場的負壓強度，必須要根據波壓場的特征與艦船水壓場特征的差別予以判別。

由以上分析可知，波壓場對水下壓力場分布有重要影響，但是其影響大小取決于波浪波長以及實際作戰水深。當波壓場產生的負壓強度能夠達到艦船水壓場負壓強度時，必須要考慮波壓場的影響。

5 結語

本文的主要工作是通過對波壓場的研究，為水下武器區分波壓場和艦船水壓場提供理論依據，防止波浪對水下武器識別艦船水壓場產生影響。本文通過OpenFOAM建立數值波浪水槽，分析了海表波浪在水下引起的壓力場分布特征，以及類似艦船水壓場分布特征的負壓強度變化特征。通過數值模擬結果分析表明：波壓場水下分布呈現與表面波動情況相對應的波動分布特征，其峰谷壓力差在半波長深度處衰減為表面值的5%左右、一倍波長深度處衰減為0.2%左右。對于實際作戰海洋環境條件下，當水深大于當地波浪主波長時，可以完全不用考慮波浪對艦船水壓場識別帶來的影響；當實際水深小于波長但大于半波長時，需要根據當地實際情況作具體判斷；當實際水深小于半波長時，必須考慮消除波浪產生的負壓變化信號。

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［6］http：／／www.openfoam.org［OL］.

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