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1、,模拟尾流热特性研究,延时符,导 师： 导师职称： 报 告 人： 学 号： 专 业：,XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY,CONTENTS,目 录,PART 01 论文导读 Introduction,PART 02 命题背景 Background,PART 03 研究综述 Thesis Description,PART 04 模拟应用 The Application,PART 05 论文总结 The Summary,延时符,论文导读 Introduction,延时符,绪论,概述：船舶在海上航行时，在其后的水域内会形成一条呈带状的气泡幕，这条气泡幕就是尾流。尾流形成原因包

2、括螺旋桨工作、海浪翻滚破碎以及空气卷吸入水等等。尾流具有稳定、持续时间长、物理性质显著、可被有效探测等特点。从尾流的光学、声学、热学以及电磁学等多种物理特性中可以获取有关船舶的关键信息：如速度、前进方向、所在位置等，这也是目标追踪和反潜武器制导的物理学基础。,摘要：本文通过流体力学理论来分析舰船尾流的热学特性，利用能量方程及湍流模式建立了船舶热尾流的基本数学物理模型，并利用所建立的模型模拟船舶热尾流从形成到衰减的过程。自行设计实验，并将结果进行图像化处理，在验证模型的同时得到热尾流的形成原因及变化规律。本研究为理论上利用热尾流探测船舶信息提供了一定的理论依据，并为军事方面的鱼雷热尾流自导追踪等

3、研究奠定了基础。,关键字：船舶；热尾流；温度；模拟；衰减,延时符,论文摘要,主要内容,研究内容,尾流运动是一个非常复杂的过程，包含了压缩性、粘性、表面张力、热传导、气体扩散和热力学效应等多项耦合过程，具有很强的的非线性和非定常性.本项目主要做了以下几项工作：,针对热尾流的形成、范围及扩散方式进行了研究，建立了可模拟热尾流温度分布特性的基本计算模型,自行设计了一套模拟热尾流实验系统，可以实现实验条件下温度信号的提取。,用模型模拟了某大型船只在温度均匀环境中形成的远场热尾流，并将结果以三维图像的方式进行了展示,延时符,论点论证,1：得出了热尾流的浮升、掺混及扩散的基本规律； 2：绘制了热尾流从形成

4、到衰减的多个阶段的图像； 3：建立了可模拟热尾流温度分布特性的基本计算模型,延时符,1：所用实验系统可在不同情况下实现温度信号的提取； 2：将实验数据与理论数据进行对比并绘制图像； 3：对模拟热尾流的温度变化进行了探讨。热尾流的信号随着船舶尾流的扩展沿各个方向以一定规律衰减,1：模拟了某船只的远场热尾流，并通过MATLAB软件进行展示； 2：热尾流的主要特征是其温度在一定范围内近似与尾流的宽度与长度成反比； 3：结合近年来的研究现状，对未来的相关 研究提出一些个人见解,理论基础,流体力学,研究尾流的基础学科，建立尾流模型的基本原理,湍流模型,标准的k-模型，此标准k-模型只适合完全湍流的流动过

5、程模拟,Boussinesq近似,流体的密度跟压强和温度有关，在低速流动中，流体压强变化不大，主要是由于温度的变化引起密度变化，因此忽略压强变化引起的密度变化，只考虑温度变化引起的密度变化叫做Boussinesq假设,N-S方程,纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，简称N-S方程。,雷诺数,雷诺数，又称雷诺准数，是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。为纪念英国物理学家雷诺而命名，记作Re，是用以判别粘性流体流动状态的一个无因次数群,弗汝德数,水力学中的一个术语，即流体内惯性力与重力的比值，用来判别水流的状态,延时符,主要创新

6、,01,02,03,04,热尾流的实验模拟和研究,自行设计模拟尾流实验系统,对多个方向的热尾流的衰减规律进行了探讨并得出结论,通过实船模拟的方式得到了热尾流的三维图像,将热尾流的衰减过程以图像形式输出，并进行理论与实际数据的对比,延时符,命题背景 Background,延时符,选题意义,为新型热尾流自导鱼雷的研发提供思路，也是目标追踪和反潜武器制导的物理学基础,军事方面,对尾流的物理特性研究有助于船舶搜救与定位技术的发展，也可以水质检测与水污染控制提供一些依据,民用方面,尾流的物理性质包含着目标船舶类型、吨位、船舶航速等方面的重要信息，对尾流物理性质的的深入研究在很多反面都有着重要的应用前景,

7、延时符,发展历程,1,20世纪20年代初期，德国发表了第一篇关于探测尾流声速的学术文章,2,20世纪20年代中期，可以用于测量船只回声的测深仪正式面世，并在英美两国大量供应,3,二战期间，以美国为首的发达国家开始青睐于尾流探测技术，NDRC（美国国防研究委员会）组织了大批顶尖科学家对尾流探测制导技术开展了研究工作,4,舰船尾流的探测研究，多年来主要集中在声学、光学、电磁学及热学方面,5,经过多年的发展，关于尾流气泡的分布、扩散及尾流气泡本身的力学性质等方面的研究已经较为成熟，相关文献也层出不穷,6,船舶尾流气泡的热学和电磁学性质方面，由于起步较晚及探测难度大等原因，近年来这一领域的研究资料非常

8、少见，相关研究还有很长的路要走,延时符,尾流研究的发展,相关资料,光学探测,声学探测,热学探测,电磁学探测,船舶尾流的光学探测主要应用船舶尾流的光学性质，宏观上可以看作激光束通过船舶尾流的空间形态.在微观中可以解释为激光束与船舶尾流气泡幕中单个气泡和气泡群发生的衍射、散射、衰减等作用的综合影响. 光学方法主要分为高速摄影、激光全息、激光干涉和激光散射，各种技术具有不同的优点,船舶尾流的声学探测主要利用声波在船舶尾流气泡幕中的物理性质来实现. 当前工程应用和相关研究主要集中于从尾流下方实施的顶视声尾流检测方法舰船尾流侧向声检测方法可以持续、有效检测到目标舰船的尾流，具有实际工程应用价值,船舶尾流

9、的热学探测方面，随着遥感技术的发展，利用装载在飞机或卫星上的红外探测装置和高速摄像机等仪器可以发现水面舰船航行过后留下的热尾迹，因此，通过红外探测器有可能辨别出潜艇航行后在海面留下的温度异常信号,船舶尾流的电磁学探测方面，目前来看国内外的研究资料不多. 海水的不规则运动可以使这些杂质自身对地磁场产生微小扰动，区别于洋流等大规模的磁场变动，船舶和鱼群的尾流只在较小规模的水域中出现磁场奇点，可以通过对这种磁场奇点的探测来锁定磁场异常水域,延时符,国外研究现状,Overseas Research Situation,研究现状,研究现状,在国内最早开展了尾流光学性质的研究，进而也最早使用光学方法测量水

10、中气泡,研究综述 Thesis Description,延时符,研究目标,舰船尾流区域的划分有多种方式,延时符,研究目标,船艏波区,与风驱动产生的波浪破碎而在海水表层形成气泡相似,由于船艏波的破碎,空气被卷吸进入海水中,形成船艏波尾流气泡区,船壳区,空气被卷吸进船壳湍流边界层,形成船壳湍流边界层尾流区,初始扩散区,螺旋桨的卷吸和空化作用在船尾形成的初始扩散区ISRInitial Spread Region,远场尾流区,仅有1左右扩散角的远尾流区；它是由初始扩散区和船壳湍流边界层尾流区汇合组成的,延时符,研究思路,延时符,细长型船舶水下几何结构,肥大型船舶水下几何结构,船舶尾流的计算和船型有关，

11、通过查阅船舶几何要素的相关文献，可得到不同船型的主尺度及剖面系数的取值范围。根据这些不同船舶类型的船型系数的范围，可对相关船舶进行几何结构的模拟，从而为尾流的相关计算提供基础,研究思路,延时符,尾流运动具有很强的非定常性和非线性，其中的多项耦合过程包括了表面张力、气体扩散、热传导、压缩性、粘性和热力学效应等，是一个极其复杂的过程。在温度非均匀分布的海洋环境下，水下舰体排放出的冷却水在形成热尾流时， 主要经历了3个阶段，如图所示。,第一阶段：热尾流浮升阶段,第二阶段：是水中自由表面与热尾流互相掺杂混合的过程，即掺混阶段,第三阶段：热尾流在水面上的扩散阶段,研究方案,建立直角坐标系，将坐标原点固定

12、在水平面与船剖面尾部的交点位置,采用k-两方程湍流模型、热分层环境下PRANS方程Boussiesq近似的无量纲化远场热尾流的控制方程,通过查阅资料得到公式中的常数的取值,给定适当的初始条件与边值条件,对实验模型进行分析后，使用近似的方法计算远场尾流中的初始截面（IDP）的主要数据,在实验测量中可得出IDP上的温度分布，而实验所用船模的船长、船宽、桨轴位置及螺旋桨盘面尺寸等主要特征参数基本上能够近似确定IDP上的速度和湍流动能等参量。,延时符,关键技术,延时符,实验过程,实验装置,实验设备,仪器参数,实验过程,实验过程,将仿真船模固定在水面一侧（自来水，水深45CM），发动船模尾部的马达，即可

13、产生尾流。将HART智能液晶一体化温度变送器放置在牵引装置上，使用24V专用电源为其供电。温度变送器可以进行3个方向的固定移动，固定杆和水槽上标有刻度，可以在测量温度的同时准确的测定距离,仪器参数,实验设备,船模、温度变送器、24V专用电源、三叶螺旋桨、数码相机,实验装置,尾流发生装置（船模）、尾流测试装置（温度变送器）和水槽,模拟热尾流实验,延时符,实验过程,延时符,数据分析,2：测量尾流中特定位置的温度，将结果与环境温度求差并记录,1：固定好船模，调整船模的位置，开启马达，等待正常运转之后开始测量,3：将实验所测结果绘制成表格，通过MATLAB输出图像并与计算结果进行对比,4：得出初始截面

14、上纵向尾流的温度分布,5：得出船后6倍船长处横向尾流的温度分布,6：得出船后正方向尾流的温度分布,7：热尾流温度特征的总结。,船模测试 为了验证本计算模型的有效性，以本次实验中所用于热尾流测试的船模为对象，通过计算分析本船模远场热尾流的特性,理论计算与实际数据的对比,延时符,数据分析,延时符,实验所得初始截面上沿Z轴的温差变化,初始截面Z轴方向热尾流温度与环境温度差值的变化,数据分析,延时符,正后方6倍船长处测得沿Y轴的温差变化,正后方6倍船长处沿Y轴方向热尾流温度与环境温度差值变化,数据分析,延时符,船模后方沿尾流正方向X轴的温差变化,尾流正方向X轴上热尾流温度与环境温度差值的变化,数据分析

15、,特征一,无论船模的螺旋桨以何种方式旋转，又或者是无螺旋桨的船壳，只要船体在运动，产生尾流时，都会产生明显的热尾流信号，在测量仪器精准度达到0.001时即可检测到,特征二,船模吃水达船长一半时，在螺旋桨正上方水面处已无法检测到热尾流温度信号的分布；而在船后6倍船长处，尾流宽度已经基本定型，随着尾流宽度的增加，热尾流中的温度呈明显的下降趋势，在4-5倍船宽处热尾流温度与环境温度一致，已无法检测到热尾流信号；沿尾流正方向的热尾流衰减最为明显也最为规律，大约在船后20倍船长左右衰减至消失,特征三,实验中所用的船模结构简单，功率也小，尾流较微弱，发热量小，所以实验中模拟热尾流的温度变化范围很小；而在实

16、际的环境中，大型船只所产生的热尾流信号较强，热尾流的信号比较明显，将可以轻易检测到,尾流特征,分别测量出了热尾流模型初始截面上在纵深方向、船后6倍船长处横向方向以及船后正方向三个方向的热尾流温度数值。在与水槽的环境温度求差后，将此实验数据与理论模型在该三个方向的计算数据进行了比对，以此得到了热尾流的一些特征,模型验证,通过以上3张图可以看出，计算值与实验值在大部分情况下符合得较好，该远场热尾流的计算模型基本可以抓住模拟热尾流的主要特征，说明该计算方法是有效的,延时符,模拟应用 The Application,延时符,实况模拟,以某大型船只为对象，计算该舰在温度均匀环境中形成的远场热尾流特性。该

17、船只的各项数据已在表中列出，将表中数据代入计算模型，在MATLAB中生成三维分布图，三个坐标轴分别为:尾流长度/船长（x/L）、尾流宽度/船宽（y/B）和热尾流与环境温度的温差(T/)。并对默认生成的图像分别进行顺时针旋转45和90，观测其三维分布,延时符,三维展示,延时符,某大型船只热尾流温度变化三维分布图1,三维展示,延时符,某大型船只热尾流温度变化三维分布图2,三维展示,延时符,某大型船只热尾流温度变化三维分布图3,大型船只的热尾流变化较为明显，但基本规律与实验船只保持一致,热尾流的温度在一定范围内近似与尾流的宽度与长度成反比,热尾流的信号在船后靠近螺旋桨的位置达到最大值，随着船舶尾流的

18、扩展，沿尾流的各个方向衰减,在尾流刚刚形成时，热尾流的温度最高，当尾流宽度达到最大值时（5倍船宽），大约在尾流长度为8倍船长处左右的位置，热尾流温度达到一个极大值。之后在尾流到达在20倍船长处时，热尾流信号完全消失,三张三维图给出了该大型船只在某一航行状态下，热尾流的变化情况，由此可得出几点结论,结果分析,延时符,论文总结 The Summary,延时符,研究总结,利用MATLAB软件对计算结果进行了图像化处理。经过多种不同条件的的实验验证，能够有效地通过计算得出舰船热尾流的主要特征,本文建立的计算舰船远场热尾流的数学模型，通过数值模拟的方法，研究了在均匀温度条件下船舶热尾流的分布特性和变化规

19、律,热尾流会随着船舶自身尾流的延伸而呈现一定的变化规律,在温度均匀的水中，船舶尾流的温度总是高于周围水的温度，即呈现出一种热尾流特征，越靠近水面，尾流与周围环境的温差就会越小,延时符,结论展示,结论二,结论一,结论三,结论四,结论一,在尾流刚形成时，初始截面的纵深方向,热尾流随着浮升高度急剧衰减，到0.25倍船长的高度时，尾流温度与环境温度的温差已降为零左右，热尾流基本消失,结论三,在船舶的正后方,即尾流扩展的正方向上，其中热尾流的温度变化较为平缓。在尾流长度逐渐扩展为20倍船长时，尾流温度逐渐降低，直到20船长左右时与环境温度变为一致，此时已检测不到热尾流信号,结论二,在正后方6倍船长处，远场尾流已经基本成型，尾流的宽度趋于稳定。其中热尾流的温度将随着尾流宽度的增加而衰减，在尾流宽度达到倍船宽的4-5倍左右时，尾流温度与环境温度基本趋于一致，即热尾流逐渐衰减消失，在这个方向上热尾流的整个衰减过程较为平缓,结论四,通