分层流体中水下自航体动量尾迹生成大尺度旋涡特性实验研究

A class of combined momentum wakes will be generated by a moving underwater vessel due to the drag momentum from its body and the thrust momentum from its propeller. Large-scale vortice structures can be generated by such a momentum wake due to the buoyancy effect of the stratified fluid, and surface vortical signatures with long lifetime will be generated on the free-surface. The generation mechanism of such large vortice structures and their surface vortical signature characteristics are the key hydrodynamic problems in the non-acoustic detection technology for submarines. In this project, the experimental technique based on the self-propelled underwater vessel model with an auxiliary towing system will be developed in order to be capable of controlling the body and thrust momentum independently and accurately. Then serial experiments will be conducted to investigate the near-field of the momentum wakes using the stratified fluid tank to determine the evaluation of the combined momentum and to clarify the critical momentum conditions for the formation of the large-scale vortices. Under different momentum and stratification conditions, far-field investigation will be carried out to study the formation mechanism and revolution characteristics of the large-scale vortices. Moreover, the investigation on the surface signatures will reveal the revolution characteristics for free-surface response due to the underwater large-scale vortices. The present research will provide a fundamental basis for the development of the non-acoustic detection technology for submarines.

潜艇航行时，其艇体产生的阻力动量与推进器产生的射流动量在背景流体中会形成一类组合动量尾迹。在密度分层流体的浮力效应作用下，这类组合动量尾迹有可能会形成大尺度旋涡结构，并在水面留下可以维持很长时间的旋涡痕迹，这种大尺度旋涡的生成机理及其自由面特征，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。本项目采用辅助拖曳机构结合自驱动模型的实验技术，实现对艇体阻力动量和推进器射流动量的独立精确控制。在此基础上，利用密度分层流水槽，开展系列模型实验，研究水下自航体动量尾迹近场流动特性，提出动量源的表征方法，揭示大尺度旋涡形成的组合动量条件。在不同动量条件和分层条件下，针对远场晚尾迹进行研究，揭示大尺度旋涡结构的形成机理和表征规律；进一步针对大尺度涡结构的自由面响应特征研究，揭示大尺度旋涡引起自由面水动力响应的表征规律。本研究不仅有重要学术意义，而且对潜艇非声探测技术发展有现实军事应用价值。

水下航行体的艇体效应相当于给背景流体传递一个阻力动量，而推进器和冷却水排放效应则相当于给背景流体传递一个射流动量，水下动量源所形成的动量尾迹，在海洋背景流体的作用下，有可能会演化出大尺度的涡结构，并在水面上产生可被合成孔径雷达SAR识别的特殊流动结构，对反潜和隐身都重要意义。.为此，本项目利用密度分层流水槽，开展系列模型实验，研究水下自航体动量尾迹近场流动特性，提出动量源的表征方法，揭示大尺度旋涡形成的组合动量条件。在不同动量条件和分层条件下，针对远场晚尾迹进行研究，揭示大尺度旋涡结构的形成机理和表征规律；进一步针对大尺度涡结构的自由面响应特征研究，揭示大尺度旋涡引起自由面水动力响应的表征规律。.特别地，采用带L型尾喷管拖曳球方法模拟水下运载器艇体与冷却水排放等产生的阻力与射流动量尾迹。研究表明，当JD/J>CD时，这种组合式移动动量尾迹的演化特性主要受拖曳球体阻力动量尾迹演化的影响，形成正卡门型准二维涡街结构，其中JD为拖曳球产生的阻力动量流量，J是L型尾喷管产生的射流动量流量, CD是球的阻力系数；当JD/J<CD时，这种组合式移动动量尾迹可能会形成反卡门型准二维涡街结构。.用表面粒子图像测速技术，对水下螺旋桨旋转产生尾流传播至表面的流动特征进行试验研究．结果表明，螺旋桨作用下的自由表面流场响应是一个非定常的演化过程，总体可分为初始扰动和漩涡演化两个阶段．在初始扰动阶段，水面观测区域出现一个速度辐射中心、一个速度汇聚中心及两个区域间的x负方向主流动，涡量反差数有一个短时间的小幅度升降过程. 在漩涡演化阶段，水面观测区域出现一对旋转方向相反、涡量大小几乎相同的涡对，并向x正方向传播，涡量反差数有一个长时间的大幅度升降过程．对不同转速和动量源的不用作用时间的系列试验结果表明：水下螺旋桨尾流传播至表面产生的漩涡强度特征可用涡量反差数峰值界定，而且涡量反差数峰值与限制数存在幂函数关系。