舰船主尺度参数对舰船气泡尾流几何特性的影响

Ｔｈ ｆｅ ｔｏ ｈｅ ｓ ｉ ａ ｎ ｓ ａ ｅ ｐａ ａ ｅ ｅ ｐｏ ｈ ｐ ｂ ｂ ｌ ａ ｅ ｍ ｅ ｒ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓ ｅ ｅ ｆ ｃ ｆｔ ｈ ｐ ｍ ｉ ｃ ｌ ｒ ｍ ｔ ｒ ｕ ｎ ｓ ｉ ｕ ｂ ｅ ｗ ｋｅ ｇ ｏ ｔ ｙ ｃ ａ ａ ｔ ｒ
的变化 情况见 图 ５ 。
标准， 这里 采用 无量 纲 化 比较 的方 法 ， 测 量 到 的尾 将 龄 １ｍ ｎ时 的气 泡 数 密度 值 作 为 基 准 ， 第 ３ｍ ｎ ｉ 将 ｉ 和 第 ５ ｍ ｎ的气泡 数 密度 除 以 １ｍ ｎ时 的值 ， 到 半径 ｉ ｉ 得 为 ８ ｍ和 １０ ｍ 的气 泡 数 密 度 的相 对 值 随 时 间 ０ ６
第３ ４卷 第 １期
２１ ０ ２年 １月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ４，Ｎｏ １ １３ ．
Ｓ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＨＩ ＣＩ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
Ｊ ｎ ，２ １ ａ． ０ ２
舰船主 尺度参数对舰船气泡 尾流几何特性的影 响
顾 建农 ，田 雪 冰 ，张 志宏 ，王 冲
ｗａ ｅ ｇ ｏ ｔｙ ｉｔｉ ｔ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｆ ｔ ｒ ｅ ｙ ｉ ａ ｓ ｉ ｓ ｒ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｂ ｔ ｅ ｕ ｅ ｉａ ｓｍｕ ａｉｎ ｋ ｅ ｍｅｒ ｄ ｓｒｂｕ ｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｏ ｈ ｅ ｔｐ ｃ ｌ ｈ ｐ ａ ｅ ａ ｃ ｌ ｔｄ ｙ ｈ ｎ ｍ ｒｃ ｌ ｉ ｌｔｏ ｏ
Ｌ Ｂ ｎｄ Ｌ／Ｔ ｕ ｎ ｂ ｂｂｅ ｗａ ｅ ｌｎ ｔ ｗｉｔ ｄ ｐｈ， ｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ｎ ｂ ｂ ｌ ｉｔｉ ｕ ｉｎ． ／ ａ ｐｏ ｕ ｌ ｋ ｅ ｇ ｈ， ｄ ｈ， ｅ ｔ ａ ｄ ｃ ｏ ｓ ｓ ｃ ｉ ｕ ｂ ｅ ｄ ｓｒｂ ｔｏ ｏ Ｋ ｅ ｒ ｂ ｂ ｌ ｗａ ｅ ； ｅ ｍｅｒ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｕ ｂ ｅ； ｋ ｓ ｇ ｏ ｔ ｃ ａ ａ ｔｒ ； ｈ ｐ ｙ
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Ｉ， ｎ 吃水 ５ １Ｉ， ． 载重 量 ４２ ０ ｔ双 桨驱 动 。为 了统 一 ｎ ０ ，
仪器 的分辨率 有关 ， 气泡 浓度 越大 ， 仪器 分辨 率越 高 ，
尾 流信 号越 明显 。航速 ２ ｎ时不 同船 型半 径 为 ５ Ｏｋ ２ ｍ 的气 泡相对数 密 度值 沿 尾 流纵 向 ４ ０倍 船长 距 离
０ 引 言
舰 船气 泡尾 流是 指 舰 船航 行 过 后 在其 尾 部 形 成 的含有 大量 气泡 的尾迹 ， 它具 有存 活时 间长及 目标 特 征 明显等 特 点 ， 为 利用 气 泡 尾 流来 探 测 、 踪 和 攻 这 跟 击 舰船 提供 了很好 的条 件 ， 因此 开展舰 船气 泡尾 流的 研 究具有 重要 的军 事 意义 。 目前 ， 内外 对气 泡尾 流 国 及 其运动 规律 的研 究 主要有 实验 、 理论分 析 和数值 计
ｗｉｈ ｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒｎｇ ｒ ｓ ｌｓ ｏ ｈ ｐ ｔ ｈ ａ ｕ ｉ ｅ ｕ ｔ ｆ ｓ ｉ ｗａ ｅ ， ｈ ｙ ｇ ｅ ｌ ｗｉ ａ ｈ ｔ ｅ ｕ ｌｔ ｔ ｅｙ ｋ ｓ ｔ ｅ ａ ｒ ｅ ｗｅ ｌ ｔ ｅ ｃ ｏｈ ｒ ｑ ａ ｉ ｉ ｌ ．Ｔｈ ｎ，ｈ ｂ ｂ ｌ ｈ ａ ｖ ｅ ｔｅ ｕ ｂｅ
（ ． 军工程 大学 理 学院 ， 北 武汉 ４ ０ ３ ； ． 军 ９ ４ ９部 队 ， 宁 大连 １６ ４ ） １海 湖 ３０３ ２ 海 １３ 辽 １ ０ １
摘 要 ： 为了解舰船主尺度参数对尾流中气泡分布的影响 ， 为依据尾流特征识别舰船 ， 、 测舰 船尾流 激光 声探
以 及 鱼 雷 的 尾 流 自导 提 供 依 据 ， 用 热分 层环 境下 舰船 远场 尾 流 中 气 泡 数 密 度 分 布 计 算 的 数 学 模 型 。首 先数 值 计 算 采 驱 逐 舰 尾 流 中 气 泡数 密度 的 衰减 规 律 ， 与 实 测 结 果 进 行 比较 ， 者 定 性 符 合 得 较 好 。然 后 利 用 该 模 型 数 值计 算 ３种 并 二 典 型 舰 船 的 气 泡 尾 流 几何 分 布 特性 ， 析 船 长 、 宽 、 水 、 宽 ｔＬＢ以 及 长 度 吃 水 ￣Ｌ Ｔ 舰 船 主 尺 度 参 数 对 分 船 吃 长 Ｌ／ Ｅ／等 气泡尾流长度 、 度 、 宽 深度 及 横 截 面分 布 的影 响规 律 。
中给 出了详细 的数 值求解 过程 。
１４ 数值 计算 方法 有效性 的验 证 ．
和型 宽吃水 比Ｂ Ｔ ／ 。本 文 主 要 从 水 线 长 、 线 宽 、 水 吃
水 以及它们 之 间的相 互 关 系来 研 究 各 参 数 对气 泡 尾
舰 船 气泡 尾 流 的长 度 ， 即气 泡存 活 时 间 的长短 ， 是 气泡尾 流探 测 的一个 重要 指标 ， 取决 于尾流 初始 生 成 截面 上气 泡量 的 大小 以及 尾 流气 泡 数 密度 随 时 间 的衰减 程度 。 目前 公 布 的舰 船 尾 流 气 泡数 密 度 的实 船测量 数 据 极 少 ， 文 利 用 美 国 国 防 委 员 会 在 本 １４ ９ ６年对某 驱逐 舰航 速 １ ｎ时 的声 尾 流 测量 数 据 ５ｋ
２ Ｕ ｉ９ ４ ９ｏ Ｌ Ｄ ｌ ｎ １ ６ ４ ， ｈｎ ） ． ｎｔ １ ３ ｆ Ａ， ａ ａ １ ０ １ Ｃ ｉａ Ｐ ｉ
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（ ． ｌ ｇ ｆＳ ｉｎ ｅ， ａ ａ ｉｅｓ ｙ ｆＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｗｕ ａ ３ ０ ３， ｈｎ １ Ｃｏｌ ｅｏ ｃｅ ｃ Ｎ ｖ ｌ ｖ ｒｉ ｏ ｎ ｉｅ ｒｎ ， ｈ ｎ ４ ０ ３ Ｃ ｉａ； ｅ Ｕｎ ｔ
ｆｒｆｅｄ ｗａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｔ ｅ ｍａ ｔａｉ ｅ ｃ ａ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｎ ｅ ｓａ ｄ ｎ ｈ ｆｅ ｔｏ ｈ ｈ ｐ ａ ｌ ｋ ｓｉ ｈ ｈ ｒ ｌｓｒ ｔ ｉ ｄ ｏ ｅ ｎ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ｒ ｓ ｄ ｆ ｒｕ ｄ ｒｔ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅｆｃ ｆｔ ｅ ｓ ｉ ｉ ｆ ｍａ ｎ ｓ ａ ｅ ｐ ｒ ｍｅｅ ｐ ｎ ｓ ｉ ｕｂ ｌ ｋｅ ｇ ｏ ｅｒ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓａ ｄ ｐ ｏ ｉ ｉ ｇ ｔ ｅ ｂ ｓｓｏ ｄ ｎｉｙ ｎ ｈｉ ｉ ｃ ｌ ａ ａ ｔ ｒｕ ｏ ｈ ｐ ｂ ｂ ｅｗａ ｅ ｍ ｔｙ ｃ ａ ａ ｔｒ ｎ ｒ ｖ ｄ ｎ ｈ ａ ｉ ｆｉ ｅ ｔ ｉｇ ｓ ｐ ｆ ａ ｄ ｄ ｔ ｃｉ ｇ ｓ ｉ ｋ ｓ ｂ ａ ｅ ， ｏ ｎ ｎ ｋ ｏ ｎ ｏｐｅ ｏ． ｒｔｏ ｌ ，ｈ ｔ ｎ ａｉ ｎ ｌｗ ｆｂ ｂ ｌ ｎ ｅｅ ｔｎ ｈ ｐ ｗａ ｅ ｙｌ ｓ ｒ ｓ ｕ ｄ ａ ｄ ｗａ ｅ ｈ ｍｉ ｇ ｔｒ ｄ Ｆｉｓ ｆａｌ ｔ ｅ ａｔ ｕ ｔ ａ ｏ ｕ ｂ ｅ ｅ ｏ ｎ ｍ ｂ ｒｄ ｎ ｉｙ ｉ ｅ ｔｏ ｅ ’ ｗａ ｅ ｒ ａ ｃ ａ ｅ ｓｎ ｈ ｄ １ Ｔｈ ａｃ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｒ ｏ ｐ ｒ ｄ ｕ ｅ ｅ ｓｔ ｎ ｄ ｓｒ ｙ ｒＳ ｋ ｓ ａ ｅ ｃ ｌｕｌｔｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ． ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌｓ ａ ｅ ｃ ｍ ａ ｅ
的衰减规 律 。通 过 模 拟 相 同航 速 下半 径 为７ ｍ和 ３ １ ８ ｍ 的气泡情 况 与实验 进行对 比 ， 图 ４所 示 ， ５ 如 二
基 金 项 目 ： 北 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（０ ３ Ｂ ０ １ ； 军 工 程 大 学 自然 科 学 研 究 基 金 资 助 项 目（ ０ ８６ ５ ０ ０７ 湖 ２０Ａ Ａ ５ ）海 ２０ ０ ００ ０ ０ ） 作 者 简 介 ： 建农 （ ９ ３ ） 男 ， 士 ， 授 ， 究 方 向 为 流 体力 学 。 顾 １６ 一 ， 博 教 研
水线 长 ８ ４ Ｉ， ． １水线 宽 ２ ３ｍ， 水 ０ ３ｍ， ｌ ． ． 吃 ． 双桨驱 动 。 ２ １ 气 泡尾流 长度 的扩展 规律 ． 舰 船气泡 尾流 的长 度与 尾流 中气泡 的浓 度 、 测 检
进行计 算结 果 的验证 。
选取 某ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ似 驱 逐舰 ， 水线 长 １ ２ ６ｍ， 线 宽 １ ３ ． 水 ５
关键 词 ： 气 泡 ； 尾流 ； 几何 特性 ； 舰船
中 图 分 类 号 ： ０ ５ ． ３３４ 文献标 识 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ．４ ４ ｊｉ ｎ １ ７ — ６ ９ ２ １ ． １０ ２ ｏ ：０ ３ ０ ／．ｓ ． ６ ２ ７ ４ ． ０ ２ ０ ．０ ｓ 文章 编号 ： １７ — ６９ ２ １ ） １ ００ — ５ ６ ２ ７ ４ （０ ２ ０ — ０ ６ ０
・
８・
舰
船
科
学
技
术
第３ ４卷
１３ 数 值算 法 ．
采用 Ｃ ｅ ¨ ｈ ｎ 发 展 起 来 的三 维 混 合 有 限 分 析 解 法求 解完 全 抛 物化 的远 场 气 泡 尾 流 流 动 ， 献 ［ ２ 文 １］
２ 舰船 主尺度参 数对 气泡尾流 几何特 性 的影 响
舰 船 的主 尺 度 比有 长宽 ￣ Ｌ Ｂ、 Ｅ ／ 长度 吃 水 比Ｌ Ｔ ／
收 稿 日期 ： ０ ０ １ — ２ ２ １ — １ ０ ；修 回 日期 ： ０ １ ０ — １ ２ １ — ８ ０
算 ３种 方 法 。对 尾 流 气 泡 理 论 的 研 究 最 早 开 始 于
１７ ９ ３年 ， ａｒｔ ｏ ¨ 使用 波 尔 兹 曼 输 运 方 程研 究 了 Ｇｒ ｔｎ ｅｓ 气 泡 的动力学 问题 ； ｙｋｎ 用 数 值模 拟 方法 研 究 了 Ｒ ｓｉ 在 ｍ（ 雷诺数 ） Ｗ （ 、 ｅ 韦伯 数 ） 大 时 气泡 发生 非 球形 较 形 变后 的阻力 系数 及稳 定 上 升 运 动 和气 泡 的半 径变 化 ； ｈ ｋａ ｏ ｙ 用数 值计算 方法 得 出 了气泡 半 径 变 Ｃ ａ ｒｂｒ ｔ 化对 上 升运 动 的 耦 合 影 响 ； ａｒ ａ等 利用 两 相 流 Ｃ ｒｃ ｉ 模 型计算 了舰船 对海 洋背 景气 泡场 的影 响 ， 释 了尾 解
流几 何特性 的影 响 。在 数 值 计算 时 选 取 的 典 型船 型
为驱 逐舰 、 试验 船和快 艇 。其 中试 验船 水 线 长 ７ ， ８Ｉ ｎ 水线 宽 １ ． 吃水 ３ ６ｍ， ３ ６ｍ， ． 双桨驱 动 ； 艇 １水线长 快
６ ． ， ５ ４Ｉ 水线 宽 ８ ４Ｉ ， ｎ ． 吃水 ２ ４ｍ， ｎ ． 双桨 驱动 ； 快艇 ２