自動力潛艇熱尾流水面熱特性的實驗研究

胡日查，郭 亮，張旭升

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130031)

自動力潛艇熱尾流水面熱特性的實驗研究

胡日查，郭 亮，張旭升

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130031)

本文研究了實驗水槽中自動力潛艇熱尾流水面熱特性，消除了除潛艇自身特征外其他拖動組件對熱尾流擴散的影響，更加準確地再現了熱尾流的擴散過程。通過熱尾流溫度分布預測了潛艇熱尾流由熱流區和冷熱流混合區 2 個區組成，解釋了 2 個區形成的過程，而熱流區幾乎全部由熱流團組成，而且溫度相對更高。紅外熱像儀拍攝的潛艇熱尾流水面溫度場分布圖再次驗證了熱尾流水面熱特性預測的正確性。本文對紅外遙感探潛具有一定的參考價值。

潛艇；熱尾流；溫度

0 引 言

軍事上常用的反潛手段包括聲吶反潛、雷達反潛、磁異探測反潛、激光探測反潛、海洋遙感反潛等[1 – 3]。現代潛艇降噪技術的發展使得潛艇的噪聲級已非常低，甚至與海洋背景噪聲級接近[4]；作戰時潛艇長時間處于水下航行或靜默，無法使用潛艇特征探測手段確定其方位；當遇到霧、雨、雪和低云天氣時磁異探測將受到極大制約；由于激光在海水中存在衰減、色散、后向散射等現象，激光探測受到影響[5]。熱尾流紅外探測是海洋遙感反潛手段的一種，由于其被動全天候晝夜工作，具有可靠、快速響應、優質顯示、抗干擾能力強的特點，現已成為探潛系統的新方向。

2003 年，顧建農等[6]建立了密度分層環境中熱尾流的計算模型，并測量了潛艇模型熱尾流軸線浮升規律、截面溫差分布規律和軸線溫差衰減規律；2005年，顧建農等[7]建立了分層環境下由拋物化 RaNS 方程及能量方程組成的艦船遠場熱尾流計算數學模型，研究了尾流溫度分布特性和寬度擴展規律；2007 年，張曉懷等[8]在綜合考慮海面發射率、天空輻射、陰影遮擋系數、環境大氣等因素對探測器接收到的輻射能量的影響前提下計算了潛艇熱尾流浮升到海面之后的輻射亮度，確定熱尾流的紅外輻射特性與探測方位、風速、尾流溫度、環境溫度與濕度等因素密切相關；2011 年，張修峰等[9]在水池中實驗研究了螺旋槳推進潛艇模型在有無溫度分層流體中尾流的熱特性，得到2 種條件下尾流的溫度分布和信號衰減規律，并分析了其影響因素。

上述文獻研究方向主要集中在熱尾流的理論計算或仿真計算領域，部分實驗中使用了拖動潛艇模型的方法得到熱尾流溫度分布的相關數據。為消除潛艇自身特征外其他實驗輔助特征對流場產生的擾動，本文在亞克力透明實驗水池中利用螺旋槳推動遙控潛艇模型對潛艇熱尾流熱特性進行研究，得到潛艇熱尾流水面分布的熱特性。

1 熱尾流研究實驗系統

潛艇模型熱尾流研究實驗系統共由 6 部分組成。分別是自動力遙控潛艇模型、熱尾流穩定溫度流發生裝置、實驗水池、鉑電阻測溫傳感器組、Aglient 溫度數據采集系統和輔助成像裝置。

潛艇模型全長 968 mm，艇身直徑為 110 mm，具有水下升降排水功能及電機動力裝置，無需使用其他組件拖動可在水下完成前進、變向及升降動作；實驗水池使用透明亞克力材質制作，長寬高為 10.0 m × 1.5 m × 1.0 m；熱尾流穩定溫度流發生裝置由流體驅動泵、主路及旁路水路、閥門、渦輪流量計和管路組成。熱流體經過固定于潛艇模型尾部硅膠軟管以恒定流量排出；選擇鉑電阻作為測溫傳感器，為減小測量誤差使用 3 線制連接方式連接于數據采集儀；溫度數據采集系統使用 4 臺 Agilent 數據采集儀，并連接采集電腦，對溫度進行實時采集；使用 FLIR SC3000 紅外熱像儀作為輔助成像裝置，實時觀察尾流發展動態。整個實驗系統如圖 1 所示。

測溫傳感器在實驗水池中的布置方式如圖 2 所示。在實驗水池中沿長度方向每隔 0.5 m 布置1組傳感器，沿寬度方向每隔 0.375 m 布置1組傳感器，沿高度方向每隔 0.25 m 布置1組傳感器（充分發展段截面 1 及截面 2 在水底各加布 1 個測溫傳感器，沿高度方向均勻布置 4 個測溫傳感器），共布置 116 個傳感器。

在測量過程中，考慮到模擬水池壁面效應的影響，以熱尾流充分發展段范圍內布置的 8 個截面共 48個傳感器作為主要關注對象。根據熱尾流的浮升特性，將 8 個截面中線位置的 8 個傳感器作為主要溫度參考點，如圖 2 虛線框所示。

2 實驗數據及分析

實驗過程中水表面溫度為 20.80 ℃，潛艇熱尾流溫度為 62.5 ℃，體積流量為 30 ml/s，由 ф7 內徑的硅膠管穩定地排出。潛艇模型航行速度為 0.82 m/s，潛水深度為 300 mm。數據采集系統每隔 2 s 采集一次數據并實時保存。

沿水池寬度方向共布置了 3 個截面測溫傳感器，沿潛艇運動方向從左至右 3 個截面溫度傳感器測量溫度曲線如圖 3～圖 5 所示。各曲線圖中的小坐標系為 8個曲線簇中變化規律比較明顯的 3 條曲線。

潛艇模型航速為 0.82 m/s，駛過 1#～8# 測溫點只需要 4.3 s，因此圖 3～圖 5 曲線主要反映了熱尾流擴散的過程。圖中的小坐標圖展示了溫度變化過程，從穩定的初始溫度突然上升達到峰值后逐漸開始波動式緩慢下降。曲線中的各峰值說明有熱尾流經過傳感器，而第 1 個峰值是熱尾流第 1 次接觸傳感器所致，第 1 次到達時也是熱尾流溫度最高的時候。隨著熱尾流的進一步擴散，熱尾流與周圍冷流發生對流、傳導換熱，溫度逐漸下降。由于冷熱流無規則接觸傳感器，曲線交替出現無規則波動，而波動的幅值取決于冷熱流的溫度和分布。冷熱流的分布很難預測，加之潛艇螺旋槳的攪動，加劇了冷熱流的紊亂程度。

通過比較上述 3 個溫度曲線簇發現，圖 3和圖 5的溫度變化規律更為接近，與圖 4 有明顯的不同。圖 4的 8 個測溫點溫度上升時間區間比較接近，第 1 次出現溫度極值的時間點也比較集中，在 50 s 內均已出現溫度第 1 次極值。但圖 3和圖 5 曲線簇第 1 次出現溫度極值所需時間區間更長，而且出現溫度極值的時間點更為分散。溫度值出現第 1 次極值后，在熱尾流擴散的過程中，圖 4 展示的中間截面 8 個測溫點溫度值下降規律近似相同，曲線相互交錯下降。而圖 3、圖 5展示的左右 2 個截面每個測溫點溫度曲線更分散。中間截面熱流主要由熱尾流直接浮升而來。由于浮升路徑最短，擴散時間也短，與周圍流體發生的換熱量也相對較少，因此，中間區域主要由溫度相對較高的熱流組成。當浮升到與空氣的交界面后熱尾流向兩側擴散，從而導致中間截面熱尾流溫度逐漸下降。到達左右兩側截面熱流不僅包含從水下浮升而來的熱尾流還包含從中間截面擴散去的熱流，在浮升和擴散過程中不可避免地與周圍流體摻雜混合，形成冷熱相間的流體團，因此左右截面測溫點溫度波動更為劇烈，而且溫度下降趨勢更緩慢，冷熱流浮升截面圖如圖 6所示。

根據潛艇熱尾流在水面上的溫度分布，水面熱尾流區域可認為由 2 個區組成，即熱流區和冷熱流混合區。熱流區中熱流團相對于冷流團的占比更高，可認為幾乎全部由熱流團構成。因此，此區域相對于其他區域溫度更高；隨著熱尾流的擴散，冷熱流發生對流及傳導換熱，出現冷熱流混合區。此區域的特點是冷流團及熱流團無規律分布，溫度相對于熱流區較低。熱尾流進一步擴散，熱量將被熱沉（恒定溫度的水環境）繼續吸收，從而溫度進一步降低，直至與熱沉溫度相同，熱尾流演化過程示意圖如圖 7 所示。

使用紅外熱像儀拍攝潛艇尾流圖片如圖 8 所示。紅外攝像儀拍攝得到的圖片中顯示的溫度需要通過其他參數設定而求解得到，存在一定誤差。因此紅外圖片只是起到輔助觀測作用，實驗溫度值仍以鉑電阻溫度傳感器測量值為準。

通過熱尾流紅外圖片可以進一步確認，熱尾流的分布規律。水面熱尾流組成的三角形區域中沿中線的區域幾乎全部由高溫亮色區域組成，隨著尾流的進一步擴散亮色區域逐漸與暗色區域混合（冷熱流混合），出現無規律亮暗相間混合的區域。紅外圖片展示的冷熱流分布規律與鉑電阻測量得到的溫度分布規律非常吻合。

3 結 語

1）潛艇熱尾流在水面上的分布可分為 2 個區域，分別是熱流區和冷熱流混合區。熱流區主要由溫度相對高的熱尾流組成，隨著熱尾流的擴散形成了冷熱流混合區；

2）熱流區主要沿潛艇熱尾流組成的三角形區域中心線分布。此區域的熱流主要由潛艇熱尾流直接從水下浮升到水面形成。由于浮升到水面的路徑最短，與冷水發生的對流及熱傳導換熱最少，因此熱流區溫度相對于其他區域熱流所占比重更高，溫度也更高；

3）冷熱流混合區由從水下浮升而來的熱尾流及達到水與空氣界面向兩側擴散的熱流組成。由于浮升路徑相對更長，與周圍冷水發生的傳熱更多，因此此區域中冷、熱流團同時無規律存在于水表面，而且熱流團溫度相對熱流區較低；

4）冷熱流混合區溫度無規律性變化，這是由于熱流無規則擴散造成。熱流的擴散主要受到熱尾流自身溫度、水溫、潛艇深度、排放熱尾流流量、潛艇螺旋槳轉速及擴散過程中水的流動特性等因素的影響，因此非常復雜。

[1]韓晶, 趙朝方. 海洋遙感技術在探測潛艇中的應用 [J]. 裝備環境工程, 2008, 5(3): 67–70.

HAN Jing, ZHAO Chao-fang. Application of ocean remote sensing technology in submarine detection [J]. Equipment Environmental Engineering, 2008, 5(3): 67–70.

[2]王建華, 趙浩淞. 機載紅外探潛系統綜述 [J]. 激光與紅外, 2013, 43(06): 599–603.

WANG Jian-hua, ZHAO Hao-song. Survey of airborned infrared system for submarine detection [J]. Laser & Infrared, 2013, 43(06): 599–603.

[3]朱海榮, 朱海, 劉金濤, 等. 水下航行器光學隱蔽深度測量系統 [J]. 光學精密工程, 2015, 23(10): 2778–2784.

ZHU Hai-rong, ZHU Hai, LIU Jin-tao, et al. Measurement system optical concealment depth of underwater vehicle [J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(10): 2778–2784.

[4]張士成, 楊楨, 楊立, 等. 水下航行體自由表面波浪尾跡紅外特征及探測 [J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(10): 2615–2620.

ZHANG Shi-cheng, YANG Zhen, YANG Li, et al. Infrared characterization and detection of free surface wave wake of underwater vehicle [J]. Laser & Infrared, 2012, 41(10): 2615–2620.

[5]崔國恒, 于德新. 非聲探潛技術現狀及其對抗措施 [J]. 火力與指揮控制, 2007, 32(12): 10–13.

[6]顧建農, 張志宏, 鄭學齡. 潛艇熱尾流特性的計算模型與實驗研究 [J]. 魚雷技術, 2003, 11(1): 40–44.

[7]顧建農, 張志宏. 紅外探測水面艦船遠場熱尾流的數學模型與計算 [J]. 激光與紅外, 2005, 35(5): 341–344.

[8]張曉懷, 陳翾, 楊立. 潛艇熱尾流紅外特征分析與計算[J]. 紅外與激光, 2007, 37(10): 1054–1057.

[9]張修峰, 楊立, 吳猛猛, 等. 溫度梯度環境中潛艇尾流熱特性的實驗研究 [J]. 實驗流體力學, 2011, 25(5): 45–48.

Experimental study on infrared signature of thermal wake of remote control submarine

HU Ri-cha, GUO Liang, ZHANG Xu-sheng
(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130031, China)

This paper discusses thermal characteristics of surface thermal wake of remote control submarine in the water channel. In this research, influences caused by other structure features except self features of submarine are eliminated and diffusion process of thermal wake is reappeared accurately. According temperature distribution of thermal wake, this paper estimates that thermal wake of submarine consists of hot area and hot-cool mixed area, then forming process of abovementioned two areas is explained. Hot area is made of hotter water flow, of which temperature is higher than other areas. Correctness of thermal characteristics of thermal wake is verified by surface temperature field picture. This paper has reference value for infrared detection.

submarine；thermal wake；temperature

TK123

A

1672 – 7619(2017)06 – 0053 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.011

2016 – 08 – 07；

2016 – 09 – 05

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所創新基金資助項目(Y4CX1SS144)；中國科學院青年創新促進會資助項目(2015173)

胡日查(1986 – )，男，助理研究員，從事多相流傳熱與流動等研究。