1 长春理工大学 吉林省空间光电技术重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
针对传统机载红外探测潜艇热尾流的计算方法未考虑温度、密度分层海水等实际海况，难以精准分析潜艇热尾流红外探测性能的问题。文中基于有限元分析方法，结合海面红外辐射模型和大气传输模型，构建出尾迹从浮升扩散、大气衰减到传感器探测的全链路数理模型，并应用模型开展全尺寸潜艇模型的仿真，实现在温度、密度分层海水情况下对潜艇热尾流红外探测性能的精准分析。结果表明：海水温度、密度分层条件对于潜艇尾迹的仿真和反演精度至关重要，当其他条件都相同时，海水温度、密度分层与不分层仿真出了截然相反的结果，不分层条件下海面为热尾迹，而分层条件下海面却为冷尾迹，直接影响对潜艇热尾迹反演精度。相比于海水分层，不分层情况下潜艇的反演误差达到了238.2 m，水面的尾迹温差不但相差了0.152 K，还呈现出了冷尾迹的现象。文中的研究对机载红外设备发现潜艇航行尾流特性的高精度识别反演具有重要意义。
潜艇 温度分层 热尾流 红外探测 submarine temperature stratification thermal wake infrared detection 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220741
1 哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院, 山东威海 264209
2 哈尔滨工业大学(威海)新能源学院, 山东威海 264209
提出了一种利用热尾迹区分水下航行器和水面航行器的手段。通过分析热尾迹红外图像, 借鉴等位面的概念, 提出了一种基于温度场剖面的航行器热尾迹识别算法。首先构建热尾迹红外图像的三维示意图, 然后在此基础上通过全局温度特征确定的等间隔温度剖面来对其进行分割, 最后将反映温度分布离散程度的自定义参数 sigma和反映温度分布离散程度变化情况的自定义参数 delta作为特征来判断热尾迹所属类别。结果表明本文所提出的识别算法能有效判断热尾迹所属类别。
红外探测 热尾迹 图像处理 特征提取 Fluent仿真 infrared detection, thermal wake, image processing
1 海军工程大学 动力工程学院, 湖北 武汉 430033
2 水下测控技术重点实验室, 辽宁 大连 116013
研究潜艇热尾流的浮升扩散规律和水面红外特征对红外探潜具有重要意义。以潜艇缩比模型为研究对象, 建立了潜艇热尾流三维计算模型。分别使用重叠网格、VOF(Volume of Fluid)模型方法和来流法, 对潜艇热尾流的浮升扩散过程进行了数值模拟。分析了潜艇热尾流的浮升扩散规律和温度场特征。使用实验测得的水面红外热像图和热尾流浮升扩散图像对两种仿真方法的精度进行了对比验证。结果表明: 基于重叠网格和VOF模型的数值模拟方法精度较高, 模拟得到的热尾流最大温度出现时间相差0.2 s, 温度偏差为0.003 K, 能够很好地模拟潜艇热尾流的浮升扩散和温度分布特性。
热尾流 浮升扩散 温度场 重叠网格 VOF模型 thermal wake buoyancy diffusion temperature field overset grid VOF model 红外与激光工程
2019, 48(4): 0404002
南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京 210094
采用FLUENT 中的VOF（Volume of Fluid Model）模型，对潜艇在海水有无温度梯度、有无螺旋桨转动和排放冷却水的情况下进行数值模拟，得到了潜艇在不同情况下冷却水的浮升规律，并分析了海面和其它截面的温度分布。计算结果表明：在温度均匀的海水中，潜艇静止悬浮比运动时热尾流浮升效果明显，且运动时螺旋桨的转动可加快热尾流的浮升；温度分层海水中，螺旋桨的转动作用可以把海水下层的冷水搅动翻滚至上层从而加剧了海面冷尾迹的形成。
潜艇 热尾流 温度分层 温度均匀 温度特性 submarine thermal wake temperature stratification uniform temperature temperature characteristics
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
本文采用有限体积法建立了1/72龙鲨Ⅱ号核潜艇的三维计算模型, 结合动参考系、用户自定义函数和物性多项式函数等实现了高速旋转螺旋桨和海水温度密度分层的仿真。基于该模型, 探讨了螺旋桨高速旋转、海水温度密度分层和高温热尾流喷射等因素对潜艇冷热尾流传热传质特性的影响, 所得结论如下: 高速旋转螺旋桨促使热尾流后向延迟距离增大、海表温差减小, 忽略旋转时海表温差的绝对误差和相对误差分别为3.23 mK和52.7%; 水下航行潜艇扰动温度密度分层海水浮升形成冷尾流温差信号, 与温度密度均匀海水相比, 海表温变区域显著增大、尾流温差由6.13 mK增大到84 mK; 通过海表上游冷尾流特征判断是否存在水下航行潜艇, 若存在, 再结合海表下游热尾流特征实现潜艇位置的精确反演。上述结论可为优化潜艇冷热尾流的数值仿真精度提供参考与借鉴。
热尾流 旋转螺旋桨 温度密度分层 传热传质特性 有限体积法 红外探测 thermal wake rotating propeller temperature-density stratification heat and mass transfer characteristics finite volume method infrared detection
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
选取1/72 龙鲨Ⅱ号核潜艇为研究对象，采用有限体积法建立外流域的三维计算模型，运用动参考系实现尾部螺旋桨高速旋转的仿真。基于该模型，评估下潜深度、航行速度、热尾流喷速、热尾流温度等因素对热尾流浮升扩散规律及海表温度特性的影响。研究表明：1）随着下潜深度和航行速度的增大，海表温度特性的后向延迟距离增大、海表温差减小；2）随着热尾流喷速和热尾流温度的增大，海表温度特性的后向延迟距离减小、海表温差增大；3）增大高温热尾流热容量或减小低温海水热容量均能促使海表温度特性趋于明显。本文结论可为某型号潜艇的红外探测与反演定位提供针对性的参考与借鉴。
热尾流 浮升扩散规律 海表温度特性 有限体积法 红外探测 thermal wake buoyancy diffusion law ocean-surface temperature characteristic finite volume method infrared detection
采用 FLUENT数值仿真和实验模拟的方法，对在温度均匀和温度分层的海水中排放热水的水下航行体的热尾流浮升 过程及其与自由表面的相互作用进行了计算和模拟，获得了由水下航行体引起的自由表面的温度变化规律。在此 基础上，将热尾流的试验结果与理论数值模拟结果进行了比较。此外，还得到了热尾流的浮升和自由表面的红外图像， 为水下航行体探测提供了一定的理论基础。
水下航行体 热尾流 水面特征 underwater vehicle thermal wake surface features
海军工程大学船舶与动力学院，湖北 武汉 430033
温度分层海洋中水下航行体引起水面特征参数的变化规律是发展红外反潜技术的关键课题。基于有限体积法的FLUENT 软件，在具有垂直温度分层的海水中，对排放热水的水下航行体热尾流的浮升过程及其与自由表面的相互作用进行了数值模拟，获得了水下航行体引起的自由表面的温度、密度、速度等特征参数的变化规律，并对温度变化规律进行了实验验证，可为水下航行体的探测提供一定的理论基础。
温度分层 水下航行体 热尾流 水面特征 temperature stratification going body underwater thermal wake surface features
