1、,模擬尾流熱特性研究,延時符,導(dǎo) 師： 導(dǎo)師職稱： 報(bào) 告 人： 學(xué) 號： 專 業(yè)：,XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY,CONTENTS,目 錄,PART 01 論文導(dǎo)讀 Introduction,PART 02 命題背景 Background,PART 03 研究綜述 Thesis Description,PART 04 模擬應(yīng)用 The Application,PART 05 論文總結(jié) The Summary,延時符,論文導(dǎo)讀 Introduction,延時符,緒論,概述：船舶在海上航行時，在其后的水域內(nèi)會形成一條呈帶狀的氣泡幕，這條氣泡幕就是尾流。尾流形成原因包

2、括螺旋槳工作、海浪翻滾破碎以及空氣卷吸入水等等。尾流具有穩(wěn)定、持續(xù)時間長、物理性質(zhì)顯著、可被有效探測等特點(diǎn)。從尾流的光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及電磁學(xué)等多種物理特性中可以獲取有關(guān)船舶的關(guān)鍵信息：如速度、前進(jìn)方向、所在位置等，這也是目標(biāo)追蹤和反潛武器制導(dǎo)的物理學(xué)基礎(chǔ)。,摘要：本文通過流體力學(xué)理論來分析艦船尾流的熱學(xué)特性，利用能量方程及湍流模式建立了船舶熱尾流的基本數(shù)學(xué)物理模型，并利用所建立的模型模擬船舶熱尾流從形成到衰減的過程。自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果進(jìn)行圖像化處理，在驗(yàn)證模型的同時得到熱尾流的形成原因及變化規(guī)律。本研究為理論上利用熱尾流探測船舶信息提供了一定的理論依據(jù)，并為軍事方面的魚雷熱尾流自導(dǎo)追蹤等

3、研究奠定了基礎(chǔ)。,關(guān)鍵字：船舶；熱尾流；溫度；模擬；衰減,延時符,論文摘要,主要內(nèi)容,研究內(nèi)容,尾流運(yùn)動是一個非常復(fù)雜的過程，包含了壓縮性、粘性、表面張力、熱傳導(dǎo)、氣體擴(kuò)散和熱力學(xué)效應(yīng)等多項(xiàng)耦合過程，具有很強(qiáng)的的非線性和非定常性.本項(xiàng)目主要做了以下幾項(xiàng)工作：,針對熱尾流的形成、范圍及擴(kuò)散方式進(jìn)行了研究，建立了可模擬熱尾流溫度分布特性的基本計(jì)算模型,自行設(shè)計(jì)了一套模擬熱尾流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件下溫度信號的提取。,用模型模擬了某大型船只在溫度均勻環(huán)境中形成的遠(yuǎn)場熱尾流，并將結(jié)果以三維圖像的方式進(jìn)行了展示,延時符,論點(diǎn)論證,1：得出了熱尾流的浮升、摻混及擴(kuò)散的基本規(guī)律； 2：繪制了熱尾流從形成

4、到衰減的多個階段的圖像； 3：建立了可模擬熱尾流溫度分布特性的基本計(jì)算模型,延時符,1：所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在不同情況下實(shí)現(xiàn)溫度信號的提??； 2：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并繪制圖像； 3：對模擬熱尾流的溫度變化進(jìn)行了探討。熱尾流的信號隨著船舶尾流的擴(kuò)展沿各個方向以一定規(guī)律衰減,1：模擬了某船只的遠(yuǎn)場熱尾流，并通過MATLAB軟件進(jìn)行展示； 2：熱尾流的主要特征是其溫度在一定范圍內(nèi)近似與尾流的寬度與長度成反比； 3：結(jié)合近年來的研究現(xiàn)狀，對未來的相關(guān) 研究提出一些個人見解,理論基礎(chǔ),流體力學(xué),研究尾流的基礎(chǔ)學(xué)科，建立尾流模型的基本原理,湍流模型,標(biāo)準(zhǔn)的k-模型，此標(biāo)準(zhǔn)k-模型只適合完全湍流的流動過

5、程模擬,Boussinesq近似,流體的密度跟壓強(qiáng)和溫度有關(guān)，在低速流動中，流體壓強(qiáng)變化不大，主要是由于溫度的變化引起密度變化，因此忽略壓強(qiáng)變化引起的密度變化，只考慮溫度變化引起的密度變化叫做Boussinesq假設(shè),N-S方程,納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）描述粘性不可壓縮流體動量守恒的運(yùn)動方程，簡稱N-S方程。,雷諾數(shù),雷諾數(shù)，又稱雷諾準(zhǔn)數(shù)，是流體力學(xué)中表征粘性影響的相似準(zhǔn)則數(shù)。為紀(jì)念英國物理學(xué)家雷諾而命名，記作Re，是用以判別粘性流體流動狀態(tài)的一個無因次數(shù)群,弗汝德數(shù),水力學(xué)中的一個術(shù)語，即流體內(nèi)慣性力與重力的比值，用來判別水流的狀態(tài),延時符,主要創(chuàng)新

6、,01,02,03,04,熱尾流的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和研究,自行設(shè)計(jì)模擬尾流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對多個方向的熱尾流的衰減規(guī)律進(jìn)行了探討并得出結(jié)論,通過實(shí)船模擬的方式得到了熱尾流的三維圖像,將熱尾流的衰減過程以圖像形式輸出，并進(jìn)行理論與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比,延時符,命題背景 Background,延時符,選題意義,為新型熱尾流自導(dǎo)魚雷的研發(fā)提供思路，也是目標(biāo)追蹤和反潛武器制導(dǎo)的物理學(xué)基礎(chǔ),軍事方面,對尾流的物理特性研究有助于船舶搜救與定位技術(shù)的發(fā)展，也可以水質(zhì)檢測與水污染控制提供一些依據(jù),民用方面,尾流的物理性質(zhì)包含著目標(biāo)船舶類型、噸位、船舶航速等方面的重要信息，對尾流物理性質(zhì)的的深入研究在很多反面都有著重要的應(yīng)用前景,

7、延時符,發(fā)展歷程,1,20世紀(jì)20年代初期，德國發(fā)表了第一篇關(guān)于探測尾流聲速的學(xué)術(shù)文章,2,20世紀(jì)20年代中期，可以用于測量船只回聲的測深儀正式面世，并在英美兩國大量供應(yīng),3,二戰(zhàn)期間，以美國為首的發(fā)達(dá)國家開始青睞于尾流探測技術(shù)，NDRC（美國國防研究委員會）組織了大批頂尖科學(xué)家對尾流探測制導(dǎo)技術(shù)開展了研究工作,4,艦船尾流的探測研究，多年來主要集中在聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)及熱學(xué)方面,5,經(jīng)過多年的發(fā)展，關(guān)于尾流氣泡的分布、擴(kuò)散及尾流氣泡本身的力學(xué)性質(zhì)等方面的研究已經(jīng)較為成熟，相關(guān)文獻(xiàn)也層出不窮,6,船舶尾流氣泡的熱學(xué)和電磁學(xué)性質(zhì)方面，由于起步較晚及探測難度大等原因，近年來這一領(lǐng)域的研究資料非常

8、少見，相關(guān)研究還有很長的路要走,延時符,尾流研究的發(fā)展,相關(guān)資料,光學(xué)探測,聲學(xué)探測,熱學(xué)探測,電磁學(xué)探測,船舶尾流的光學(xué)探測主要應(yīng)用船舶尾流的光學(xué)性質(zhì)，宏觀上可以看作激光束通過船舶尾流的空間形態(tài).在微觀中可以解釋為激光束與船舶尾流氣泡幕中單個氣泡和氣泡群發(fā)生的衍射、散射、衰減等作用的綜合影響. 光學(xué)方法主要分為高速攝影、激光全息、激光干涉和激光散射，各種技術(shù)具有不同的優(yōu)點(diǎn),船舶尾流的聲學(xué)探測主要利用聲波在船舶尾流氣泡幕中的物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn). 當(dāng)前工程應(yīng)用和相關(guān)研究主要集中于從尾流下方實(shí)施的頂視聲尾流檢測方法艦船尾流側(cè)向聲檢測方法可以持續(xù)、有效檢測到目標(biāo)艦船的尾流，具有實(shí)際工程應(yīng)用價值,船舶尾流

9、的熱學(xué)探測方面，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用裝載在飛機(jī)或衛(wèi)星上的紅外探測裝置和高速攝像機(jī)等儀器可以發(fā)現(xiàn)水面艦船航行過后留下的熱尾跡，因此，通過紅外探測器有可能辨別出潛艇航行后在海面留下的溫度異常信號,船舶尾流的電磁學(xué)探測方面，目前來看國內(nèi)外的研究資料不多. 海水的不規(guī)則運(yùn)動可以使這些雜質(zhì)自身對地磁場產(chǎn)生微小擾動，區(qū)別于洋流等大規(guī)模的磁場變動，船舶和魚群的尾流只在較小規(guī)模的水域中出現(xiàn)磁場奇點(diǎn)，可以通過對這種磁場奇點(diǎn)的探測來鎖定磁場異常水域,延時符,國外研究現(xiàn)狀,Overseas Research Situation,研究現(xiàn)狀,研究現(xiàn)狀,在國內(nèi)最早開展了尾流光學(xué)性質(zhì)的研究，進(jìn)而也最早使用光學(xué)方法測量水

10、中氣泡,研究綜述 Thesis Description,延時符,研究目標(biāo),艦船尾流區(qū)域的劃分有多種方式,延時符,研究目標(biāo),船艏波區(qū),與風(fēng)驅(qū)動產(chǎn)生的波浪破碎而在海水表層形成氣泡相似,由于船艏波的破碎,空氣被卷吸進(jìn)入海水中,形成船艏波尾流氣泡區(qū),船殼區(qū),空氣被卷吸進(jìn)船殼湍流邊界層,形成船殼湍流邊界層尾流區(qū),初始擴(kuò)散區(qū),螺旋槳的卷吸和空化作用在船尾形成的初始擴(kuò)散區(qū)ISRInitial Spread Region,遠(yuǎn)場尾流區(qū),僅有1左右擴(kuò)散角的遠(yuǎn)尾流區(qū)；它是由初始擴(kuò)散區(qū)和船殼湍流邊界層尾流區(qū)匯合組成的,延時符,研究思路,延時符,細(xì)長型船舶水下幾何結(jié)構(gòu),肥大型船舶水下幾何結(jié)構(gòu),船舶尾流的計(jì)算和船型有關(guān)，

11、通過查閱船舶幾何要素的相關(guān)文獻(xiàn)，可得到不同船型的主尺度及剖面系數(shù)的取值范圍。根據(jù)這些不同船舶類型的船型系數(shù)的范圍，可對相關(guān)船舶進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的模擬，從而為尾流的相關(guān)計(jì)算提供基礎(chǔ),研究思路,延時符,尾流運(yùn)動具有很強(qiáng)的非定常性和非線性，其中的多項(xiàng)耦合過程包括了表面張力、氣體擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)、壓縮性、粘性和熱力學(xué)效應(yīng)等，是一個極其復(fù)雜的過程。在溫度非均勻分布的海洋環(huán)境下，水下艦體排放出的冷卻水在形成熱尾流時， 主要經(jīng)歷了3個階段，如圖所示。,第一階段：熱尾流浮升階段,第二階段：是水中自由表面與熱尾流互相摻雜混合的過程，即摻混階段,第三階段：熱尾流在水面上的擴(kuò)散階段,研究方案,建立直角坐標(biāo)系，將坐標(biāo)原點(diǎn)固定

12、在水平面與船剖面尾部的交點(diǎn)位置,采用k-兩方程湍流模型、熱分層環(huán)境下PRANS方程Boussiesq近似的無量綱化遠(yuǎn)場熱尾流的控制方程,通過查閱資料得到公式中的常數(shù)的取值,給定適當(dāng)?shù)某跏紬l件與邊值條件,對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析后，使用近似的方法計(jì)算遠(yuǎn)場尾流中的初始截面（IDP）的主要數(shù)據(jù),在實(shí)驗(yàn)測量中可得出IDP上的溫度分布，而實(shí)驗(yàn)所用船模的船長、船寬、槳軸位置及螺旋槳盤面尺寸等主要特征參數(shù)基本上能夠近似確定IDP上的速度和湍流動能等參量。,延時符,關(guān)鍵技術(shù),延時符,實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)設(shè)備,儀器參數(shù),實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)驗(yàn)過程,將仿真船模固定在水面一側(cè)（自來水，水深45CM），發(fā)動船模尾部的馬達(dá)，即可

13、產(chǎn)生尾流。將HART智能液晶一體化溫度變送器放置在牽引裝置上，使用24V專用電源為其供電。溫度變送器可以進(jìn)行3個方向的固定移動，固定桿和水槽上標(biāo)有刻度，可以在測量溫度的同時準(zhǔn)確的測定距離,儀器參數(shù),實(shí)驗(yàn)設(shè)備,船模、溫度變送器、24V專用電源、三葉螺旋槳、數(shù)碼相機(jī),實(shí)驗(yàn)裝置,尾流發(fā)生裝置（船模）、尾流測試裝置（溫度變送器）和水槽,模擬熱尾流實(shí)驗(yàn),延時符,實(shí)驗(yàn)過程,延時符,數(shù)據(jù)分析,2：測量尾流中特定位置的溫度，將結(jié)果與環(huán)境溫度求差并記錄,1：固定好船模，調(diào)整船模的位置，開啟馬達(dá)，等待正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后開始測量,3：將實(shí)驗(yàn)所測結(jié)果繪制成表格，通過MATLAB輸出圖像并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,4：得出初始截面

14、上縱向尾流的溫度分布,5：得出船后6倍船長處橫向尾流的溫度分布,6：得出船后正方向尾流的溫度分布,7：熱尾流溫度特征的總結(jié)。,船模測試 為了驗(yàn)證本計(jì)算模型的有效性，以本次實(shí)驗(yàn)中所用于熱尾流測試的船模為對象，通過計(jì)算分析本船模遠(yuǎn)場熱尾流的特性,理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比,延時符,數(shù)據(jù)分析,延時符,實(shí)驗(yàn)所得初始截面上沿Z軸的溫差變化,初始截面Z軸方向熱尾流溫度與環(huán)境溫度差值的變化,數(shù)據(jù)分析,延時符,正后方6倍船長處測得沿Y軸的溫差變化,正后方6倍船長處沿Y軸方向熱尾流溫度與環(huán)境溫度差值變化,數(shù)據(jù)分析,延時符,船模后方沿尾流正方向X軸的溫差變化,尾流正方向X軸上熱尾流溫度與環(huán)境溫度差值的變化,數(shù)據(jù)分析

15、,特征一,無論船模的螺旋槳以何種方式旋轉(zhuǎn)，又或者是無螺旋槳的船殼，只要船體在運(yùn)動，產(chǎn)生尾流時，都會產(chǎn)生明顯的熱尾流信號，在測量儀器精準(zhǔn)度達(dá)到0.001時即可檢測到,特征二,船模吃水達(dá)船長一半時，在螺旋槳正上方水面處已無法檢測到熱尾流溫度信號的分布；而在船后6倍船長處，尾流寬度已經(jīng)基本定型，隨著尾流寬度的增加，熱尾流中的溫度呈明顯的下降趨勢，在4-5倍船寬處熱尾流溫度與環(huán)境溫度一致，已無法檢測到熱尾流信號；沿尾流正方向的熱尾流衰減最為明顯也最為規(guī)律，大約在船后20倍船長左右衰減至消失,特征三,實(shí)驗(yàn)中所用的船模結(jié)構(gòu)簡單，功率也小，尾流較微弱，發(fā)熱量小，所以實(shí)驗(yàn)中模擬熱尾流的溫度變化范圍很?。欢趯?shí)

16、際的環(huán)境中，大型船只所產(chǎn)生的熱尾流信號較強(qiáng)，熱尾流的信號比較明顯，將可以輕易檢測到,尾流特征,分別測量出了熱尾流模型初始截面上在縱深方向、船后6倍船長處橫向方向以及船后正方向三個方向的熱尾流溫度數(shù)值。在與水槽的環(huán)境溫度求差后，將此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型在該三個方向的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，以此得到了熱尾流的一些特征,模型驗(yàn)證,通過以上3張圖可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值在大部分情況下符合得較好，該遠(yuǎn)場熱尾流的計(jì)算模型基本可以抓住模擬熱尾流的主要特征，說明該計(jì)算方法是有效的,延時符,模擬應(yīng)用 The Application,延時符,實(shí)況模擬,以某大型船只為對象，計(jì)算該艦在溫度均勻環(huán)境中形成的遠(yuǎn)場熱尾流特性。該

17、船只的各項(xiàng)數(shù)據(jù)已在表中列出，將表中數(shù)據(jù)代入計(jì)算模型，在MATLAB中生成三維分布圖，三個坐標(biāo)軸分別為:尾流長度/船長（x/L）、尾流寬度/船寬（y/B）和熱尾流與環(huán)境溫度的溫差(T/)。并對默認(rèn)生成的圖像分別進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)45和90，觀測其三維分布,延時符,三維展示,延時符,某大型船只熱尾流溫度變化三維分布圖1,三維展示,延時符,某大型船只熱尾流溫度變化三維分布圖2,三維展示,延時符,某大型船只熱尾流溫度變化三維分布圖3,大型船只的熱尾流變化較為明顯，但基本規(guī)律與實(shí)驗(yàn)船只保持一致,熱尾流的溫度在一定范圍內(nèi)近似與尾流的寬度與長度成反比,熱尾流的信號在船后靠近螺旋槳的位置達(dá)到最大值，隨著船舶尾流的

18、擴(kuò)展，沿尾流的各個方向衰減,在尾流剛剛形成時，熱尾流的溫度最高，當(dāng)尾流寬度達(dá)到最大值時（5倍船寬），大約在尾流長度為8倍船長處左右的位置，熱尾流溫度達(dá)到一個極大值。之后在尾流到達(dá)在20倍船長處時，熱尾流信號完全消失,三張三維圖給出了該大型船只在某一航行狀態(tài)下，熱尾流的變化情況，由此可得出幾點(diǎn)結(jié)論,結(jié)果分析,延時符,論文總結(jié) The Summary,延時符,研究總結(jié),利用MATLAB軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了圖像化處理。經(jīng)過多種不同條件的的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠有效地通過計(jì)算得出艦船熱尾流的主要特征,本文建立的計(jì)算艦船遠(yuǎn)場熱尾流的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬的方法，研究了在均勻溫度條件下船舶熱尾流的分布特性和變化規(guī)

19、律,熱尾流會隨著船舶自身尾流的延伸而呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,在溫度均勻的水中，船舶尾流的溫度總是高于周圍水的溫度，即呈現(xiàn)出一種熱尾流特征，越靠近水面，尾流與周圍環(huán)境的溫差就會越小,延時符,結(jié)論展示,結(jié)論二,結(jié)論一,結(jié)論三,結(jié)論四,結(jié)論一,在尾流剛形成時，初始截面的縱深方向,熱尾流隨著浮升高度急劇衰減，到0.25倍船長的高度時，尾流溫度與環(huán)境溫度的溫差已降為零左右，熱尾流基本消失,結(jié)論三,在船舶的正后方,即尾流擴(kuò)展的正方向上，其中熱尾流的溫度變化較為平緩。在尾流長度逐漸擴(kuò)展為20倍船長時，尾流溫度逐漸降低，直到20船長左右時與環(huán)境溫度變?yōu)橐恢拢藭r已檢測不到熱尾流信號,結(jié)論二,在正后方6倍船長處，遠(yuǎn)場尾流已經(jīng)基本成型，尾流的寬度趨于穩(wěn)定。其中熱尾流的溫度將隨著尾流寬度的增加而衰減，在尾流寬度達(dá)到倍船寬的4-5倍左右時，尾流溫度與環(huán)境溫度基本趨于一致，即熱尾流逐漸衰減消失，在這個方向上熱尾流的整個衰減過程較為平緩,結(jié)論四,通