分层流体中自航体非定常运动生成内波特性研究

With the development of acoustic stealthy technology, traditional sonar which is used to detect submarine has been challenged. Therefore, the development of non-acoustic antisubmarine technology has become an important choice for the world Navy. In the density-stratified ocean, the internal waves can be not only generated by the body of the submarine, but also excited by the wake effects, such as the vortex and turbulence generated by the propeller. These effects are different with the wake effect of the towed body. Then the issue like internal waves generated by a self-propelled body is one of the key problems of submarines' non-acoustic detection, which is critical to be solved. Based on self-propelled model and different navigational states of the actual submarine, this project will carry out a series of experiments to obtain the variation rules of the internal wave generation mechanism and evolution characteristics. According to the experimental results, a kind of moving and pulsing mass source for the volume effect and wake effect of the self-propelled model will be proposed, and also a method of determining the parameters of the moving speed, the characteristic frequency and the equivalent volume of the mass source will be proposed to reveal the formation mechanism of the internal wave and its gathering- dispersing effect on free surface. This study is of great academic significance to the hydrodynamic theory of source-induced internal wave in stratified fluids, and also has practical military application value for the development of submarines' non-acoustic detection.

随着声隐身技术的发展，利用传统声呐进行探潜受到了挑战，因此发展潜艇非声反潜技术已成为各国海军的重要选择。在密度分层海洋中，除了潜艇的体积效应会激发内波外，潜艇尾部螺旋桨等推进装置产生的漩涡和湍流等尾迹效应也会激发内波，这类激发源与拖曳体尾迹效应是有区别的。这种自航体运动激发内波的相关特性问题，正是潜艇非声探测技术亟待解决的关键水动力问题之一。本项目以自航体为对象，以实际潜艇的不同航态为依据，开展系列模型实验，获得自航体内波生成机理及演化特征的变化规律；以此为依据，提出一种针对自航体的体积效应及尾迹效应的移动脉冲型质量源，并提出质量源移动速度、特征频率及其等效体积等参数的确定方法，深入揭示自航体内波生成机理及其自由面聚散效应。本项研究对丰富分层流体中源致内波水动力学理论有重要学术意义，而且对支撑潜艇非声探测技术发展有现实军事应用价值。

随着声隐身技术的发展，利用传统声呐进行探潜受到了挑战，因此发展潜艇非声反潜技术已成为各国海军的重要选择。在密度分层海洋中，除了潜艇的体积效应会激发内波外，潜艇尾部螺旋桨等推进装置产生的漩涡和湍流等尾迹效应也会激发内波，这类激发源与拖曳体尾迹效应是有区别的。这种自航体运动激发内波的相关特性问题，正是潜艇非声探测技术亟待解决的关键水动力问题之一。. 本项目以自航体为对象，以实际潜艇的不同航态为依据，相继开展自航体的体积效应与尾迹效应的生成机理及其演化特性、自航体的体积效应与尾迹效应激发内波生成机理与演化特性、自航体的尾迹效应等效源源模型、理论模型的数值实现及验证等方面的研究。通过实验，给出了自航体尾迹各个阶段中的无因次演化时间及其长度、宽度与高度的变化规律、自航体内波相关速度、波高峰峰值及波形和波系等的变化规律；并针对自航体的尾迹特性，设计与构造了改进的理论模型，通过实验和分析，给出了模型参数的确定方法，通过实验验证优化了模型细节。. 结果表明，对于自航体内波而言，螺旋桨效应使得其两类内波的转捩提前。在水平波形结构中，螺旋桨效应所产生的内波为一类内层V字形尾迹效应波，并且具有不对称性。在低Fr下，螺旋桨效应存在一个临界值。当其推进动量小于此临界值时，主控内波为定常的体积效应波，具有良好的重复性，其峰峰幅值随着推进动量增大而线性增大，螺旋桨效应可等效为一个附加的体积效应。当其推进动量大于此临界值时，主控内波为非定常的尾迹效应波，重复性变差，其峰峰幅值同样满足线性增大，且斜率大于临界点前增长斜率。在高Fr下，主控内波为非定常的尾迹效应波，其激发源与总净动量大小有关。只有当JD/JT>10或JT/JD>1时，尾迹中才会有足够的净动量来产生大尺度的激发源结构，从而产生大尺度的内波。. 本项研究对丰富分层流体中源致内波水动力学理论有重要学术意义，而且对支撑潜艇非声探测技术发展有现实军事应用价值。