浅跃层非定态内波中潜航器运动失稳的力学机理研究

浅跃层是潜艇活动的主要海洋深度层，浅强跃层更容易受到来自海洋表面和底部的影响，浅强跃层内波通常具有随机性和非稳定性变化的特点，这种大振幅非定态内波是导致潜艇运动失稳，并严重影响其航行安全和武备效能正常发挥的灾害性海洋环境因素。本项目拟从申请人最新研制的大振幅非定常内波造波装置和具有宽辐面大深度的分层流水槽试验入手，对水面下自航模型在非定态内波中的运动响应和水动作用力进行定量测试与分析研究；发展数值内波水池技术，建立浅强跃层大振幅非定态内波以及极端形式内波与潜航器相互作用的计算与分析理论；以模型试验和相应内波谱结构为基础，建立浅强跃层随机内波与潜航器相互作用的模型理论与分析方法；深入揭示浅强跃层非定态内波的非线性与随机效应对潜航器水动力性能的影响规律，阐明其导致潜航器运动失稳的力学机理。本项目不仅具有重要的学术意义，而且对水下作战平台在复杂海洋环境下适应性技术的发展有着迫切的军事应用价值。

针对浅跃层非定态内波生成演化及其与潜航器相互作用问题，创建了非定态大振幅内波环境及其与潜体相互作用测量的实验室模拟与技术创新平台，包括研制成功新型内孤立波造波装置—旋转百叶门重力式内波造波机、国内第一座分层流水槽的风生水面波浪风洞、内波载荷测量系统、多自由度水下运动测量系统和CCD水面微幅波测量系统，提出大振幅非定态内波生成传播与控制及其与潜航器相互作用的试验技术与方法。进一步，基于开源代码的OpenFOAM程序发展了双推板造波法的数值内波造波以及内波与潜航器相互作用的数值模拟与分析技术。以上述实验与数值方法为基础，试验获得了大振幅非定态内波三维演化结构、不稳定及其破碎时能量变化特征，以及非定态内波与细长潜体模型相互作用的运动学和动力学特征，建立了大振幅非定态内波演化及其与潜航器相互作用的运动与水动力测量技术、分析理论和数值计算方法，深入揭示浅跃层非定态内波的非线性对潜航器水动力性能的影响规律，阐明其导致潜航器运动失稳的力学机理。本项目对于潜航器在复杂海洋环境中的水动力学特性及其适应性研究具有重要的科学意义。