潜艇涡流速度特性数值仿真

何心怡, 张迪洲, 祝 琳, 陈 双, 白一惠

潜艇涡流速度特性数值仿真

何心怡, 张迪洲, 祝 琳, 陈 双, 白一惠

(海军研究院, 北京, 100161)

潜艇涡流以其持续时间长、尺度大、无法消除等特点, 成为各国海军探潜技术的研究热点。文中研究潜艇涡流特性及潜艇操纵产生的涡流运动特性, 探索提升反潜作战能力的新途径。通过对3型潜艇在相同深度(200 m)下的涡流运动速度与航速数值仿真, 以及相同航速(10 kn)下的涡流水平运动速度随深度变化数值仿真, 可以发现涡流运动速度受潜艇尺寸、运动速度、潜深及浮力等参数影响, 其中浮力为涡流运动速度的主要影响因素。文中研究可为潜艇涡流速度特性提供有力支撑。

潜艇; 涡流速度; 数值仿真; 反潜作战

0 引言

随着高速计算技术的迅猛发展, 实时解算潜艇机动造成的微小环境变化已成为可能, 基于检测潜艇机动导致的微小环境变化的探潜技术将成为水下探测技术的重要发展方向之一[1]。

潜艇航行时必将产生各类水动力学尾迹, 如:伯努利“水丘”、开尔文尾迹、内波尾迹及涡流尾迹等[2]。随着潜艇研制技术的不断发展, 潜艇由早期的以水上航行工况为主, 逐步过渡到以水下潜航工况为主, 其最大航深也越来越大, 在水面上的尾迹表征特征不断弱化, 致使常见的伯努利“水丘”、开尔文尾迹和内波尾迹越来越微弱。而潜艇涡流尾迹(后简称潜艇涡流)以其持续时间长、尺度大、难以模拟、无法消除的特点对于探潜而言极具吸引力, 有望应用于对潜艇的检测、识别、定位与跟踪, 潜艇涡流探测技术研究已在国外不断开展[3]。由于保密等因素, 仅查阅到有关潜艇涡流尺度特性[3-4]、潜艇涡流产生机理以及涡流有限元仿真等的报道[5-7]。文中旨在研究潜艇涡流特性及潜艇操纵产生的涡流运动特性, 并通过数值仿真, 进一步完善潜艇涡流特性的理论基础, 以期支撑探索新质对潜探测技术的发展。

1 潜艇涡流特性分析

潜艇在密度分层流体中运动时, 由于重力及浮力的作用使得艇体将巨大的动能传递给周围的水介质, 水介质与艇体的相互作用产生了涡流。潜艇涡流特性主要表现在流场内密度水动力变化, 涡流的空间分布与潜艇航迹相契合, 并具有持续时间长、难以模拟、受海况影响小和无法消除等特点。

雷诺数决定流体动量与黏性之间的比重, 该比重决定了海水扰流潜艇时流动分离以及漩涡脱落的形式。雷诺数定义为在流体动力惯性力对黏滞力比值的无量纲数

图1 不同雷诺数下光滑圆柱体尾部涡流脱落形式

基于上述理论, 计算英国特拉法尔加级潜艇、美国俄亥俄级潜艇、俄罗斯阿库拉级潜艇的雷诺数, 3型潜艇参数如表1所示[9-11], 其中, 特拉法尔加级潜艇采用5 900 t的水下排水量作为计算参数。

表1 三型潜艇参数列表

2 潜艇操纵引起的涡流运动特性

在实际海洋环境中, 潜艇在水下潜航时将不时加速、减速和转向, 致使其动量传递给周边流体, 在潜艇尾部产生大涡流。该涡流存在时间长, 水平尺度可达几公里。

图2 3型潜艇雷诺数与航速关系曲线

潜艇涡流的水平运动速度为

潜艇涡流的垂直运动速度为

由式(2)和式(3)可知, 潜艇操纵引起涡流的传输速度与潜艇自身的浮力、航速和物理尺度有关, 与潜艇浮力成正比, 与潜艇航速及艇身直径成反比。其中浮力变化为

将式(4)分别代入式(2)和式(3), 得出潜艇操纵下涡流的水平运动速度为

垂直运动速度为

基于上述公式对潜艇产生的涡流运动速度进行仿真分析, 从而为后续新质探潜技术提供支撑。

3 潜艇涡流运动速度特性数值仿真

对特拉法尔加级潜艇、俄亥俄级潜艇和阿库拉级潜艇的涡流运动速度进行数值仿真, 潜艇参数设置见表1。在数值仿真中设最大海深为600 m, 海水密度变化范围为1025～1 027 kg/m3, 如图3所示(①～③分别代表3个不同海域海水密度变化情况), 此处仿真取海水密度为1 025 kg/m3, 潜艇操纵所引起的浮力变化为总浮力的万分之一。

图3 海水密度变化示意图

3.1 特拉法尔加级潜艇涡流运动速度数值仿真

3.1.1 与航速的数值关系

当潜艇航深为200 m时, 对潜艇的涡流速度进行仿真, 仿真结果如图4和图5所示。

图4 潜艇涡流水平运动速度随航速变化曲线

图5 潜艇涡流垂直运动速度随航速变化曲线

3.1.2 与航深的关系

当航速为10 kn时, 潜艇涡流水平运动速度与航深关系的仿真结果如图6所示。

图6 潜艇涡流水平运动速度随航深变化曲线

3.2 俄亥俄级潜艇涡流运动速度数值仿真

3.2.1 与航速的数值关系

当潜艇航深为200 m时, 对俄亥俄级潜艇的涡流运动速度进行数值仿真, 如图7和图8所示。

图7 潜艇涡流水平运动速度随航速变化曲线

图8 潜艇涡流垂直运动速度随航速变化曲线

3.2.2 与航深的关系

图9 潜艇涡流水平运动速度随航深变化曲线

3.3 阿库拉级潜艇涡流运动速度数值仿真

3.3.1 与航速的数值关系

图10 潜艇涡流水平运动速度随航速变化曲线

3.3.2 与航深的关系

图11 潜艇涡流垂直运动速度随航速变化曲线

图12 阿库拉级潜艇涡流水平运动速度随航深变化曲线

综上, 通过对3型潜艇涡流运动速度进行仿真可以发现: 潜艇涡流运动速度与潜艇航速、航深相关, 表现在涡流运动速度均随着航速或航深增加而降低。

4 仿真结果与分析

对3型潜艇进行相同航深下(200 m)涡流运动速度与航速数值仿真, 以及在相同航速(10 kn)、不同航深下, 潜艇涡流水平运动速度随航深的变化关系进行仿真, 分析潜艇级别、航速及航深对涡流运动速度的影响。

4.1 相同航深下潜艇涡流运动速度数值仿真

由图13和图14可知: 3型潜艇涡流运动速度的变化趋势相同, 其涡流运动速度均随航速的增大而降低; 3型潜艇中, 涡流水平运动速度与涡流垂直运动速度最大的为美国俄亥俄级潜艇, 其排水量为18 750 t, 远大于另外2型潜艇, 由此可知,影响潜艇涡流运动速度的主要因素为潜艇浮力。

图13 3型潜艇涡流水平运动速度随航速变化曲线

图14 3型潜艇涡流垂直运动速度随航速变化曲线

俄亥俄级潜艇、特拉法尔加级潜艇和阿库拉级潜艇的涡流垂直运动速度分别为0.035 m/s, 0.018 m/s和0.015 m/s, 在航深为200 m时, 其涡流传递到水面的时间分别为1.58 h、3.08 h和3.7 h, 由此可知潜艇航深越大, 其水动力传递到水面所需时间越久。

4.2 相同航速下涡流运动速度数值仿真分析

由图15可知, 在相同航速下, 3型潜艇涡流水平运动速度随航深增加而降低; 3型潜艇中浮力较大的俄亥俄级潜艇具有较大的涡流运动速度, 说明浮力变化相似时, 潜艇物理尺度越大, 涡流运动速度越大, 当潜艇浮力变化越大时, 涡流运动速度以其浮力为主, 其尾部产生的涡流特征越明显。

5 结束语

图15 3型潜艇涡流水平运动速度随航深变化曲线

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Characteristics Simulation of Submarine Vortex Velocity

HE Xin-yi, ZHANG Di-zhou, ZHU Lin, CHEN Shuang, BAI Yi-hui

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Submarine vortex detection technology has become a research hotspot for navies in various countries due to the characteristics of the vortex, including long duration, large scale, and inability to eliminate. The submarine vortex characteristics and the motion characteristics of the vortex generated by submarine maneuvering are discussed in this paper, along with some new ways to improve anti-submarine operational capability. A simulation analysis of three types of submarines was carried out, analyzing the vortex motion speed and ship speed with the same depth(200 m) and the vortex horizontal movement speed with depth under the same ship speed(10 kn). The simulation results show that the vortex motion speed is related to parameters such as the size, motion speed, diving depth, and buoyancy of submarines, among which the buoyancy is the most significant. The findings in this paper can provide references for the study of the submarine vortex velocity characteristics.

submarine; vortex velocity; numerical simulation; anti-submarine operation

何心怡, 张迪洲, 祝琳, 等. 潜艇涡流速度特性数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(2): 178-183.

TJ630.3

A

2096-3920(2022)02-0178-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.006

2022-01-20;

2022-03-15.

何心怡(1976-), 男, 博士, 正高级工程师, 主要研究方向为水中兵器、水声信号处理技术.

(责任编辑: 杨力军)