水下航行器熱射流多孔排放口結構仿真分析

高程哲，杜永成，楊 立

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

為保證設備正常運行，航行器在水下運動過程中會利用冷卻水吸收設備運行所產生的熱量，冷卻水排出后形成熱射流[1 – 4]，并與環境流體摻混換熱。

國內外學者對熱射流相關特征進行了大量的實驗及仿真研究。張旭升等[5]系統分析了航行器附體結構運動、熱射流排放流量、熱射流排放速度、環境流體溫度分層、鹽度分層、熱射流排放溫度等初始運動結構參數對水下航行器熱射流溫度擴散及浮升特性的影響。來慶志等[6]對仿真計算壁面條件的差異進行了分析。在不同壁面條件下的水下航行器熱射流在浮升擴散過程中，不僅浮升高度不同，浮升擴散的速度也不一樣。劉洋等[7]通過研究發現，熱射流擴散過程中，存在渦動特性，運動產生的渦流會對熱射流水面紅外特征產生明顯影響。仿真結果表明，熱射流在排放過程中，不僅有由于熱量傳遞所產生的溫度特征，還有在熱射流摻混運動過程中造成的水動力特征。周哲等[8]采用了不同于來流法的溫度差值法計算熱射流溫度變化特征，對比了不同工況下熱射流溫度衰減特征的差異，結果表明溫度插值法可以精確得到尾流的細微變化，仿真精度更高。從上述研究可知，有關熱射流特征及變化過程的研究十分完善，但未對排放口結構在熱射流特征中的影響進行深入探討。

一般來說，水下航行器熱射流排放口為圓形結構，圓形排放口制造簡單，經濟實用，但不同結構排放口是否對熱射流特征產生影響，相關研究尚不充足。與單孔排放口相比，多孔結構可以使得單股熱射流分為多股熱射流，加強熱射流與環境流體摻混換熱效果。肖洋等[9]通過Fluent模擬計算得到當多孔射流孔間距增大時，位于后方的射流速度損失較小，與環境流體摻混效果越快。高猛等[10]對多孔射流的分叉及融合現象進行了詳細研究，闡述了多孔結構排放口射流問題的特點。但上述研究對多孔結構分孔形狀沒有進行深入考慮，對分孔分布位置考慮簡單。朱科鈴等[11]采用PIV技術對小間距多孔射流流場特性進行了研究，區別于間距較大射流，當多孔射流之間孔間距較小時，射流雷諾數發生變化。鄭亞男等[12]對平板多孔射流形成的旋渦結構特征進行了研究，結果表明，多孔射流的發展變化產生強脈動特性，壁面邊界層出現尾跡渦結構。但該研究未對射流溫度特性展開探討。本文重點圍繞排放口結構，對排放口數量及分布方式進行設計，得到最有利于抑制熱射流紅外特征的排放口結構，為工業設計制造提供理論研究思路。

1 物理方程及模型

流體運動的復雜性由流體本身特性所決定，流體的慣性、流體的可壓縮性、流體的黏性等使得如何描述、測量流體運動變得較為困難。再加上流體運動是否為定?；蚍嵌ǔＡ鲃樱行驘o旋流動，層流或湍流流動等，這些流動特點同樣導致了流體運動的復雜性。根據流體運動的物理特性，數學家和物理學家們以數學表達的形式建立了流體運動的相關方程組用以描述流體運動。

1） 質量守恒方程

2）動量守恒方程

式中，ρ0為環境流體密度。

3）能量守恒方程

式中：μ為動力粘性系數；ui(i=1,2)代表了X，Y方向上的速度分量；μi為湍流粘性系數。

受溫度影響，環境水體密度狀態方程為：

選擇Realizablek-ε模型將湍流的脈動值附加項與時均值聯系起來。

湍動能k方程：

耗散率ε方程：

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮升影響引起的湍動能。

式中：v為平行于重力矢量的速度分量；u為垂直于重力矢量的速度分量。

式中：

式中：

2 網格劃分及計算條件

2.1 網格劃分

流體計算域長寬高為8 m×1.1 m×0.5 m，水下航行器距離流體計算域左側來流面100 mm，距離右側出流面7000 mm，距離底部100 mm，距離頂部300 mm（距離水面200 mm），距離后部300 mm，距離前部700 mm。采用非結構化網格進行劃分，在局部尺寸上，對排放口、航行器表面以及局部加密實體區域進行限制，網格類型采用多面體混六面體網格類型。網格劃分完成后如圖1所示。

圖1 流體計算域網格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluid computing domain grid division

圖2 單孔及多孔排放口網格劃分Fig.2 Single discharge port and multiport discharge port meshing

2.2 計算條件

在邊界條件的設置上，排放口（hot）為速度入口邊界條件（velocity-inlet）；航行器表面（wall）為非計算邊界條件（dead）；來流面（in）為速度入口邊界條件（velocity-inlet）；出流面（out）為壓力出口邊界條件（pressure-outlet）；流體計算域頂部（top）為壓力出口邊界條件（pressure-outlet）；流體計算域其余面（wallw）為對稱邊界條件（symmetry）。來流面設置環境流體來流溫度293 K，來流速度0.1 m/s；排放口設置熱射流初始溫度333 K，熱射流初始速度0.3 m/s。

在求解設置中，考慮到水下航行器熱射流水面紅外特征，在流體計算域中劃分出空氣層，對氣液交界層采用VOF流體體積函數進行追蹤，水面上的空氣層厚度為100 mm。采用基于有限體積法思想的SIMPLE算法，Solver類型為Pressure-Based，時間屬性上采用Transient。同時將重力作用對流體運動的影響體現在求解過程中。關于計算求解的可靠性要求體現在對各參數收斂殘差的限制上，能量殘差的收斂數量級要小于10?7，其余各參數殘差的收斂數量級要小于10?4。計算過程中達到殘差收斂要求可認為計算求解結果可靠。

為消除網格數量對計算結果的影響，選取熱射流距排放口中心水平距離0.1 m，0.3 m，0.5 m處中心最高溫度值作為驗證數據，對比驗證相同位置、不同網格數量條件下，水下航行器熱射流中心最高溫度。驗證結果如圖3所示。圖中數據表明，當網格數量超過100萬時，熱射流在距離排放口中心不同距離處中心最高溫度值較為一致，誤差值較小，在0.01 K以內。因此在設置網格尺寸時，將網格數量控制在150萬左右較為合適。

圖3 網格無關性驗證Fig.3 Grid independence test

3 仿真計算結果分析

在空間維度中，以排放口中心為坐標原點，環境流體流動方向為X軸負方向，熱射流排出方向為Y軸正方向，重力方向為Z軸負方向建立三維直角坐標系。環境流體流動方向簡稱為來流方向，定義熱射流中心最高溫度點距排放口中心X軸坐標差值絕對值為來流方向溫度衰減水平距離，定義熱射流中心最高溫度點距排放口中心Z軸坐標差值絕對值為重力方向溫度衰減浮升高度。

3.1 橫式排列排放口

在單孔、橫式雙孔、橫式三孔排放口作用下，水下航行器熱射流在來流方向上溫度衰減水平距離以及在重力方向上溫度衰減浮升高度如圖4所示。

圖4 橫式排列排放口熱射流溫度衰減特征曲線Fig.4 Temperature attenuation indicatrix of thermal jet from heng discharge ports

從圖中數據分析可知，單孔、橫式雙孔、橫式三孔排放口作用下熱射流在來流方向上最大溫度衰減水平距離分別為2.910 m，2.958 m，2.683 m，在重力方向上最大溫度衰減浮升高度均為0.164 m。與單孔排放口作用相比，橫式雙孔、三孔排放口作用下熱射流最大溫度衰減水平距離分布增加1.65%，減少7.80%；3種排放口作用下熱射流最大溫度衰減浮升高度相同。由于排放口本身具有一定的寬度，所以不同結構排放口排出熱射流在初始高度上有所不同，單孔、橫式雙孔、橫式三孔排放口半寬分別為4 mm，6.16 mm，7.93 mm，但最大浮升高度均為0.164 m，體現出分孔熱射流之間相互吸附作用抑制了熱射流向上浮升的趨勢。

在水下航行器排放口附近殼體表面繪制速度矢量圖，以溫度為區分條件的橫式排列排放口局部速度特征如圖5所示。

圖5 橫式排列排放口熱射流局部速度矢量圖Fig.5 Local velocity vector diagram of thermal jet from heng discharge ports

可以看出，分孔熱射流之間相互吸附作用導致環境流體無法很好地在排放口間隙與熱射流摻混換熱。在單孔、橫式雙孔、橫式三孔排放口作用下，熱射流與環境流體摻混換熱接觸面周長分別為241.080 mm，188.268 mm，168.278 mm，摻混換熱效果逐漸下降。

橫式排列排放口作用下水下航行器熱射流水面紅外特征如圖6所示。

圖6 橫式排列排放口熱射流水面紅外特征Fig.6 Surface temperature contour of thermal jet from heng discharge ports

可以看出，單孔、橫式雙孔、橫式三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別為293.071 K，293.128 K，293.126 K，熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別為2.152 m，2.162 m，1.750 m，縱向擴散最大距離分別為0.521 m，0.663 m，0.614 m。與單孔排放口作用下熱射流水面紅外特征相比，橫式雙孔、三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別提高了80.28%，77.46%；熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別增加了6.58%、減少了18.68%，縱向擴散最大距離分別增加了27.26%，17.85%。分析可知，橫式排列排放口不利于抑制熱射流水面紅外特征。

3.2 縱式排列排放口

在縱式雙孔、三孔排放口作用下，水下航行器熱射流在來流方向上溫度衰減水平距離以及在重力方向上溫度衰減浮升高度如圖7所示。

圖7 縱式排列排放口熱射流溫度衰減特征曲線Fig.7 Temperature attenuation indicatrix of thermal jet from zong discharge ports

從圖中數據分析可知，縱式雙孔、三孔排放口作用下熱射流在來流方向上最大溫度衰減水平距離分別為2.791 m，2.859 m，在重力方向上最大溫度衰減浮升高度分別為0.132 m，0.130 m。與單孔排放口作用相比，縱式雙孔、三孔排放口作用下熱射流最大溫度衰減水平距離分別減少4.09%，1.75%；最大浮升高度分別降低19.51%，20.73%。縱式排列排放口作用下，水下航行器熱射流溫度衰減過程加快。

在水下航行器排放口附近殼體表面繪制速度矢量圖，以溫度為區分條件的縱式排列排放口局部速度特征如圖8所示。

圖8 縱式排列排放口熱射流局部速度矢量圖Fig.8 Local velocity vector diagram of thermal jet from zong discharge ports

縱式排列排放口分孔間隙處接觸面較小，分孔熱射流之間相互吸附作用受到限制，與橫式排列排放口相比，熱射流與環境流體在排放口分孔間隙處摻混換熱效果大大增強。縱式雙孔、三孔排放口作用下熱射流與環境流體摻混換熱接觸面周長分別為340.973 mm，417.748 mm，均大于單孔排放口作用下241.080 mm的接觸面周長，摻混換熱效果明顯提升。

縱式排列排放口作用下水下航行器熱射流水面紅外特征如圖9所示。

圖9 縱式排列排放口熱射流水面紅外特征Fig.9 Surface temperature contour of thermal jet from zong discharge ports

可以看出，縱式雙孔、三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別為293.050 K，293.046 K，熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別為1.733 m，1.872 m，縱向擴散最大距離分別為0.459 m，0.533 m。與單孔排放口作用下熱射流水面紅外特征相比，縱式雙孔、三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別降低了29.58%，35.21%；熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別減少了19.47%，13.01%，縱向擴散最大距離分別減少了11.90%、增加了2.30%。由此可知，縱式排列排放口有效抑制了熱射流水面紅外特征。

3.3 兩翼排列排放口

在兩翼雙孔、三孔排放口作用下，水下航行器熱射流在來流方向上的溫度衰減水平距離以及在重力方向上的溫度衰減浮升高度如圖10所示。

圖10 兩翼排列排放口熱射流溫度衰減特征曲線Fig.10 Temperature attenuation indicatrix of thermal jet from symmetrical discharge ports

從圖中數據分析可知，兩翼雙孔、三孔排放口作用下熱射流在來流方向上最大溫度衰減水平距離分別為2.533 m，3.079 m，在重力方向上最大溫度衰減浮升高度分別為0.133 m，0.136 m。與單孔排放口作用相比，兩翼雙孔、三孔排放口作用下最大溫度衰減水平距離分別減少了12.27%、增加了5.81%；最大浮升高度分別降低了18.90%，17.07%。

在水下航行器排放口附近殼體表面繪制速度矢量圖，以溫度為區分條件的兩翼排列排放口局部速度特征如圖11所示。

圖11 兩翼排列排放口熱射流局部速度矢量圖Fig.11 Local velocity vector diagram of thermal jet from symmetrical discharge ports

可以看出，兩翼排列排放口與橫式、縱式排列排放口在結構上的差異主要體現在分孔之間相互吸附作用消失。在熱射流與環境流體摻混換熱接觸面上則與縱式排列排放口保持一致，均為分孔結構下摻混換熱接觸面周長最大的排放口結構。在摻混換熱效果上，兩翼排列排放口作用與縱式排列排放口作用較為一致。

兩翼排列排放口作用下水下航行器熱射流水面紅外特征如圖12所示。

圖12 兩翼排列排放口熱射流水面紅外特征Fig.12 Surface temperature contour of thermal jet from symmetrical discharge ports

可以看出，兩翼雙孔、三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別為293.052 K，293.045 K，熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別為1.113 m，1.469 m，縱向擴散最大距離分別為0.579 m，0.660 m。與單孔排放口作用下熱射流水面紅外特征相比，兩翼雙孔、三孔排放口作用下熱射流在自由液面上水面最高峰值溫度分別降低26.76%，36.62%；熱射流溫度在自由液面上橫向擴散最大距離分別減少19.47%，31.74%，縱向擴散最大距離分別增加11.13%，26.68%。

4 結 語

通過對多孔排放口作用下水下航行器熱射流排出過程進行相關仿真模擬計算，并對計算結果進行分析得到如下結論：

1) 與單孔排放口作用相比，多孔排放口作用增大了熱射流與環境流體摻混換熱接觸面，提升了熱射流與環境流體摻混換熱效果；

2) 多孔結構下縱式排列及兩翼排列排放口有利于抑制熱射流紅外特征，提升水下航行器熱隱身性能；

3)多孔結構下相鄰分孔熱射流之間出現相互吸附現象，在一定程度上抑制熱射流溫度衰減過程。同時，分孔之間相互吸附作用也在一定程度上阻礙熱射流向上浮升過程。

通過本文研究發現，多孔排放口結構作用對提升熱射流與環境流體摻混換熱效果，減弱熱射流紅外特征，降低水下航行器暴露風險有明顯作用，為工業設計制造提供新思路。