水下航行体多源扰动激发内波特性及其自由面聚散效应研究

随着声隐身技术的发展，传统声纳的反潜能力已濒临极限，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，除了潜艇体积效应会激发内波外，潜艇产生的旋涡和湍流等尾迹效应也会激发内波，这种多源扰动激发内波之间转换准则的确定，以及各类扰动源激发内波特性及其自由面聚散效应，正是潜艇非声探测技术亟待解决的关键水动力学问题之一。本项目将水下航行体产生的多源扰动等效为一个移动脉动型质量源，建立能够全面反映各种扰动源激发内波特性的理论模型；开展系列模型实验，给出各种扰动激发内波之间的转换准则，获得各种扰动源生成演化特征的变化规律；以此为依据，提出确定质量源特征参数的方法；发展各种扰动激发内波引起表层流变化与海面微尺度波相互作用的理论模型，深入揭示各种扰动源激发内波特性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的理论有重要学术意义，而且对支撑潜艇非声探测技术的发展有现实军事需求。

本课题首先采用实验、理论和数值相结合的方法，研究了密度均匀和分层流涕中水下的动量源生成大尺度涡特性问题。首先对密度均匀流体中射流动量生成大尺度涡特性进行了理论、实验和数值演技，定 量获得了大尺度涡结构的无量 纲射流长度、涡环半径及其包络外形长度的变化特性。其次，研究了组合式移动动量源在密度分层流体中生成偶极子涡街的机理，分析了偶极子涡街的演化特性，获得了移动组合式动量源能够演化为偶极子涡街的Reynolds 数和Froude 数（ Re , Fr ) 组合条件。. 本课题其次研究了密度分层流体中不同长径比拖曳潜体激发内波的运动学与动力学特性，结果表明体积效应激发内波属于一种相对于拖曳潜体定常的多模态 Lee 波结构,而尾迹效应激发主控内波为相对于拖曳潜体非定常的拟Lee波结构, 这是一类由湍流尾迹中大尺度相干结构作为移动源激发的内波结构。研究表明,在 Lee波与拟Lee 波之间存在一个与长径比近似为线性关系的临界转捩Froude数Frc,而且转捩后拟Lee波相关速度相应 Froude 数近似为一个常数 0.8。. 最后，采用一种等效移动质量源来模拟有限深密度分层流体中运动物体生成内波的体积效应和旋涡、湍流尾迹激发源, 结合内波本征值问题及Fourier变换等方法,本课题建立了计算运动物体生成内波垂向位移场的一种理论模型,提出了确定移动质量源速度、回转直径及长度的具体方法。利用该理论模型,对密度分层流体中运动物体生成内波的波系与波形结构以及波高特征等进行了数值模拟与分析, 结果与实验结果符合良好。.