水下航行體熱尾流浮升特性研究

張昊春，吉　宇，馬　銳，李　垚，嚴(yán)利明，秦　江

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001; 2．中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064; 3．哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，黑龍江哈爾濱150001)

水下航行體熱尾流浮升特性研究

張昊春1，吉宇1，馬銳2，李垚3，嚴(yán)利明1，秦江1

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001; 2．中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064; 3．哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，黑龍江哈爾濱150001)

摘要:水下航行體排放的熱尾流的浮升規(guī)律及其水面溫度分布特征是紅外探測(cè)的基礎(chǔ)。本文從熱尾流形成過程出發(fā)，建立水下射流的二維計(jì)算模型。基于Fluent軟件的湍流數(shù)學(xué)模型，對(duì)溫度分層和均勻環(huán)境介質(zhì)中的熱尾流的浮升特性及水面溫度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并以VOF方法追蹤了溫度分層環(huán)境中的尾流界面，得到熱尾流的軌跡與溫度的衰減規(guī)律，對(duì)比分析溫度分層環(huán)境與均勻介質(zhì)環(huán)境中的異同。

關(guān)鍵詞:水下航行體;熱尾流;浮升規(guī)律;溫度分布;數(shù)值模擬

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

水下航行體(如潛艇)由于其極強(qiáng)的隱蔽性與突襲性，成為現(xiàn)代海戰(zhàn)中的重要作戰(zhàn)手段。在發(fā)展?jié)撏Ъ夹g(shù)的同時(shí)，對(duì)反潛技術(shù)的研究同樣受到各國的高度重視。由于潛艇在水下航行時(shí)需要冷卻動(dòng)力裝置，尤其是核潛艇，因此會(huì)向海洋中排放大量的溫?zé)岷Ｋ纬蔁嵛擦鳎瑹嵛擦鞲∩梁Ｃ鏁?huì)使海面水溫發(fā)生異常。國外有專家估測(cè)，1臺(tái)反應(yīng)堆功率為190 MW的核潛艇每秒鐘釋放入海洋的熱能多

達(dá)1.89×108J，在速度為5 kn時(shí)，它排出的熱能使其身后的水溫升高0.2 K［1］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用裝載在飛機(jī)或衛(wèi)星上的紅外探測(cè)裝置和高速攝像機(jī)等設(shè)備儀器可以發(fā)現(xiàn)水面上的熱尾流，從而進(jìn)行判斷分析是否有潛艇。

為了解熱尾流的形成機(jī)理與浮升規(guī)律，從而為紅外探潛提供理論依據(jù)。國內(nèi)外已有許多學(xué)者針對(duì)此問題從不同的角度來進(jìn)行研究。Garber等［2］在1945年對(duì)艦船熱尾流進(jìn)行了開拓性的研究，并對(duì)其溫度分布特征進(jìn)行了實(shí)船探測(cè); Garrett等［3］研究了潛艇排放的冷卻水在相對(duì)穩(wěn)定環(huán)境運(yùn)動(dòng)條件下和分層流中的流跡和衰減; Peltzer等［4］利用機(jī)載紅外成像儀對(duì)Hayes號(hào)雙體船的尾流進(jìn)行遙感測(cè)量以研究紊流尾流熱表面效應(yīng)及少量有機(jī)物質(zhì)對(duì)熱表面效應(yīng)的影響; Schwartz和Priest［5］從概率角度考慮了船尾熱尾流與粗糙海面的紅外對(duì)比度，對(duì)艦船尾流進(jìn)行了紅外遙感研究;美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)開發(fā)了一個(gè)艦船紊流尾流計(jì)算的通用程序TWAKE［6］，采用定常、三維、時(shí)間平均拋物線型N－S方程及k－ε封閉模式，利用有限元方法進(jìn)行計(jì)算; Yang和Gu等［7－12］對(duì)水下棲息潛艇形成的熱尾流的浮升與衰減規(guī)律進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究。此外，在射流研究方面，Larsen等［13］研究了橫流中的浮力射流特性并比較了積分模型與k－ε模型; K.Harby等［14］通過實(shí)驗(yàn)研究了液態(tài)環(huán)境中淹沒的橫向氣體射流的流動(dòng)特性; Masaki和Seiji［15］利用分布式注入模型研究了分層的熱水箱中的橫向射流的特性。

本文將水下航行體排放冷卻水與螺旋槳攪動(dòng)行為的作用結(jié)果視為“熱射流”，分別建立溫度分層環(huán)境中與均勻介質(zhì)環(huán)境中的射流模型，利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到了熱尾流的溫度分布特性以及浮升擴(kuò)散過程中的衰減規(guī)律。同時(shí)，利用VOF (Volume of Fluid)方法追蹤“熱射流”的界面。

1　數(shù)理模型

1.1計(jì)算模型及參數(shù)

本文所采用的計(jì)算模型基于二維結(jié)構(gòu)，計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×10 m;水下航行物體模型位于計(jì)算區(qū)域的下部，距離底面2.5 m，距離左側(cè)速度入口18.5 m，整個(gè)計(jì)算區(qū)域中充滿海水，水面和水底均采用剛性壁面邊界條件。由于在實(shí)際情況下，所排放的冷卻水全被螺旋槳卷吸進(jìn)入尾流的中心區(qū)域，因此熱尾流形成的初始階段因冷卻水而溫度升高的區(qū)域在尾流的中央，其尺寸一般由螺旋槳的直徑Dr決定，通常為潛艇直徑D的一半。因此本文的研究重心在于所形成的熱尾流在海水中的浮升擴(kuò)散，而將螺旋槳與冷卻水的作用結(jié)果直接視為圓形“熱射流”，如圖1所示。

圖1　計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1　The schematic view of calculation area and its geometry

為了考察熱射流的浮升擴(kuò)散特性，在本文的數(shù)值模擬中，分別建立了溫度分層和均勻介質(zhì)海水模型。考慮到具體的海洋情況，在溫度分層計(jì)算模型中，以交界面處為界，上層介質(zhì)為T1= 293.15 K的海水，下層介質(zhì)為T2=290 K的海水，相關(guān)物性均以實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。由于海洋的分層現(xiàn)象，在潛艇航行的水層，其相對(duì)于海水的速度應(yīng)大于無潛艇航行的水層，因此設(shè)定上層水流速度為0.8 m/s，下層速度為1 m/s;出口為自由出流。相應(yīng)地，在均勻海水介質(zhì)模型中，整個(gè)計(jì)算區(qū)域中的海水均為T = 293.15 K。

由于海水與水下物體壁面的摩擦、冷卻水的排放以及螺旋槳攪動(dòng)等綜合因素，因此在本文的計(jì)算中，設(shè)定射流出口溫度為Tjet= 310 K，速度v=0.4 m/s。

本數(shù)值模型通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后采用混合網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，所選流動(dòng)模型為非穩(wěn)態(tài)Realizable k－ε模型，并采用VOF方法跟蹤了溫度分層計(jì)算模型中的“熱射流”界面。

1.2流動(dòng)傳熱控制方程

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

其中

狀態(tài)方程:

第p相的體積分?jǐn)?shù)方程［16］:

式中:ρ為流體密度; ui(i = 1，2)分別為x，y方向的速度分量; p為流體靜壓;μ為流體的動(dòng)力粘度; cp為定壓比熱; T為溫度; Pr為流體的普朗特?cái)?shù); gi為重力加速度分量;αp為第p相的體積分?jǐn)?shù)。

湍流動(dòng)能方程為:

湍流耗散率方程為:

2　計(jì)算結(jié)果與分析

水下航行體排放冷卻水時(shí)，由于冷卻水溫度較高，排出后則處于跟周圍的海水進(jìn)行熱量、質(zhì)量和動(dòng)量交換的過程。考慮到溫度分層情況下，所得到的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及相分布云圖如圖2～圖4所示。

圖2　溫度分層環(huán)境中的溫度場(chǎng)分布Fig.2　The temperature field in temperature stratification case

圖3　溫度分層環(huán)境中的速度場(chǎng)分布Fig.3　The velocity field in temperature stratification case

圖4　溫度分層環(huán)境中的相分布Fig.4　The phase distribution in temperature stratification case

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在溫度分層環(huán)境中，冷卻水等形成的“熱射流”對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的溫度場(chǎng)分布有較大的影響，在豎直方向上，原有的兩層溫度水域中出現(xiàn)了連續(xù)的溫度變化，而水下航行體的運(yùn)動(dòng)對(duì)速度場(chǎng)也產(chǎn)生了很大的影響，潛艇附近出現(xiàn)了明顯的繞流現(xiàn)象，進(jìn)而造成上層水域的速度有一定范圍的增大。為了獲得熱尾流在擴(kuò)散過程中的溫度衰減變化特性，對(duì)比艇后不同位置處海水溫度隨距離水面深度的變化曲線如圖5所示。

從圖5可看出，所排放的溫水對(duì)于水下航行體下部水域的影響較小，僅在熱尾流附近引起了較大的溫度變化，但在上部水域中形成了明顯的“冷特征”。此現(xiàn)象是由于熱射流在浮升擴(kuò)散過程中，與外部水域存在較強(qiáng)烈的動(dòng)量交換和質(zhì)量交換，導(dǎo)致下層溫度較低的水被翻至近水面處。同

時(shí)也可以看出，隨著艇后距離的加大，溫度分布曲線的峰值有所減小，即存在溫度衰減現(xiàn)象且在距離艇尾較近的區(qū)域，尾流溫度衰減較快，隨著與艇體距離的增大，熱尾流的溫度衰減越來越緩慢。

圖5　艇后不同位置處海水溫度深度變化情況Fig.5　Variation of temperature with depth in different distances away from submarine

同時(shí)，對(duì)于均勻介質(zhì)海水的計(jì)算模型，其溫度場(chǎng)分布與速度場(chǎng)分布如圖6和圖7所示。

圖6　溫度均勻海水中的溫度場(chǎng)分布Fig.6　The temperature field in uniform temperature case

圖7　溫度均勻海水中的速度場(chǎng)分布Fig.7　The velocity field in uniform temperature case

從圖中可看出，在均勻介質(zhì)環(huán)境中，艇體對(duì)于海水域的擾動(dòng)也很大，速度場(chǎng)基本與溫度分層環(huán)境無太大差別，但是溫度場(chǎng)的分布卻存在很大的差異，除形成的“熱射流”附近有明顯的溫度變化之外，其余的區(qū)域基本上沒有受到影響。造成此現(xiàn)象的原因可能在于，均勻介質(zhì)環(huán)境中的密度差異較小以至于尾流不易于浮升至水面，從而很難在水面上形成較明顯的溫度變化。

將溫度分層與均勻介質(zhì)海水模型中所得到的水面溫度對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)(見圖8)，前者呈現(xiàn)出明顯的“冷尾流”特征，且在所計(jì)算的區(qū)域內(nèi)隨著尾流的擴(kuò)展，水面溫度越低，最大溫差可以達(dá)到0.35 K;而后者幾乎看不到水面上有任何的溫度變化，即尾流引起的水面冷熱特征很微弱。

圖8　溫度分層與均勻溫度海水模型中水面溫度變化Fig.8　The temperature on the water surface in the temperature stratification case and uniform temperature case

3　結(jié)語

本文針對(duì)于水下航行體在運(yùn)動(dòng)過程中所排放的冷卻水和螺旋槳攪動(dòng)等行為對(duì)周圍的水域所造成的擾動(dòng)，依據(jù)流體流動(dòng)與傳熱特性，建立了二維的熱尾流浮升擴(kuò)散模型，分析了熱尾流形成、浮升和衰減過程的特性，利用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到主要結(jié)論如下:

1)相同運(yùn)動(dòng)條件下，溫度分層環(huán)境中的尾流更容易擴(kuò)散浮升至水面，且在水面上形成明顯的“冷尾流”特征，最大溫差可達(dá)0.35 K;而在均勻介質(zhì)海水模型中，由于密度與溫度幾乎無差異，因此水下的“熱射流”難以浮升至水面上，水面上沒有顯著的溫差。

2)溫度分層環(huán)境中的熱尾流在浮升擴(kuò)散的過程中，在豎直方向上形成了一定的溫度變化，且在越接近水下航行體的深度，溫度變化越劇烈，而在離水下物體較遠(yuǎn)的深度處，溫度變化較緩慢。

3)隨著艇后距離的加大，峰值溫度在不斷的減小，即存在溫度衰減特性，且越靠近潛艇，尾流溫度衰減越快。這在一定程度上能給紅外探測(cè)提供相應(yīng)的理論支持。

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作者簡介:張昊春(1977－)，男，副教授，從事高速飛行器熱控技術(shù)、紅外隱身、工程熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)學(xué)研究。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91216123) ;國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目(51121004)

收稿日期:2014－11－18;修回日期: 2014－12－08

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0024－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.006

中圖分類號(hào):U661．1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A