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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 UNIVERSITYCONTENTS目 录PART 01论文导读IntroductionPART 02命题背景BackgroundPART 03研究综述 Thesis DescriptionPART 04模拟应用The ApplicationPART 05论文总结The Summary延时符论文导读Introduction绪论论文摘要论点论证理论基础主要创新延时符绪论概述：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。尾流形成原因包括螺旋桨工作、海浪翻滚破
2、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研究奠定了基础。关键字：船
3、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到衰减的多个阶段的图像；3：建立了可模拟热尾流温度
4、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
5、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01020304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
6、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选题意义发展历程相关资料研究现状延时符选题意义 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220世
7、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
8、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
9、，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OverseasResearchSituation MK鱼雷系列采用了先进的尾流侦测自导技术，具有良好的制导追踪和目标鉴别能力美国01 意大利已在研制超过百公里自导航程的新型光纤尾流制导鱼雷东欧02 65型尾流制导鱼雷已经研发成功并投入使用，该鱼雷拥有反潜及攻舰等多种用途俄
10、罗斯03研究现状使用高速摄影技术研制了一套新型尾流气泡参数测量系统中船重工760所01发展出了用激光散射光强探测尾流特征参数的实验系统海军工程大学02中科院西安光学精密机械研究所03国内研究现状DomesticResearchSituation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中气泡研究综述Thesis Description研究目标研究思路研究方案关键技术实验过程数据分析延时符研究目标舰船尾流区域的划分有多种方式 可将船舶尾流分为气泡尾流、湍流尾流以及无粘开尔文尾流按尾流的扰动类型来划分 可分为开尔文波系、近场尾流以及远场尾流三个区从船舶的位置和角度来划
11、分尾流可划分为初始扩散区、船壳区、船艏波区及远场尾流区四个区根据尾流中气泡群的数密度及形成原因来划分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船壳船壳区船艏波区ISR近场尾流区远场尾流区1928开尔文波系边界线开尔文波3516波峰切线尾流速度研究思路延
12、时符细长型船舶水下几何结构细长型船舶水下几何结构肥大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，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
13、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123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。456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
14、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设备参数规格实验用水槽80cm60cm60cm24V专用电源型号DR-120-24、参数24V5A120W牵引装置牵引范围为80cm仿真船模30cm15cm10cm船
15、模马达直流供电、转速750rpm、功率60wHART智能液晶一体化温度变送器TTC.0502数码照相机3264*2488ppi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
16、与实际数据的对比延时符数据分析延时符高度/船长（Z/L）尾流与环境温差(T/)06.510-21.010-11.210-12.010-12.510-13.010-13.510-14.010-14.510-11.1510-11.0110-19.1010-23.3010-21.0010-200000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尾流宽度/船宽（Y/B）尾流与环境温差(T/)00.51.01.52.02.53.03.54.04.57.1010-26.2010-25.9010-25.6010-25.2010-23.9010-23.2010
17、-21.5010-200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尾流长度/船长（X/L）尾流与环境温差(T/)024681012141618201.2210-19.8010-28.1010-26.8010-26.1010-25.3010-23.9010-22.7010-22.2010-24.0010-30数据分析特征一 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.
18、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
19、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实况模拟三维展示结果分析延时符实况模拟 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/
20、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具体参数实验船模螺旋桨型号双轴四叶桨双桨轴距螺旋桨盘面直径螺旋桨深度6.4m3.6m4.6m船体水线长1326m船体水线宽15m船体吃水深度5.1m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，随着船舶尾流的扩展，沿尾
21、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研究总结结论展示不足之处展望未来结束语延时符研究总结 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
22、布特性和变化规律 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
23、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 通过实船热尾流模拟可得知，船舶本身的长度和宽度以及产生尾流的方式，以及尾流的扩展和延伸都会影响热尾流的形成和变化，但基本变化规律与实验一致，其热尾流信号是可以被检测到的延时符不足之处问题复杂问题复杂课题所限课题所限船舶的热尾流是一个非常复杂的物理问题，除了水槽船模实验外,对热尾流的理论研究和数值仿真工作还有很多方面值得深入的探讨受到所用模型本身的复杂性以及实验条件和计算资源的限
24、制，还不能详细模拟热尾流的形成到衰减的全部过程展望未来热尾流的未来发展重点 目前所用的大多热尾流计算的模型，受到温度或密度均匀分布等条件的限制，在实用方面都不成熟。关于实际热尾流的性质研究，还需大量的模拟分析和实验测量工作 得到更接近于实际海域的热尾流扩散规律和浮升特性之后，在此基础上还需继续开展真实舰船的热尾流实验 将实际的测量结果与实验条件下的数据进行对比和分析，进一步优化热尾流计算模型，以使其更加符合真实情况结束语特别鸣谢本次论文是在我的指导老师XXX教授的亲切关怀与细心的指导下完成的。从最初课题的选择到最终论文的完成，张老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，在耐心的指导论文之余，老师不断的开拓我的视野，启发我的思考，让我体会到了独立完成项目的乐趣。本文能够得以顺利的完成，也与研究生同窗们的帮助是分不开的。虽然他们没有直接参与我的论文写作，但是无论在开题时，还是在研究过程中，他们都给我提供了很多意见和一系列可行性的建议,也向他们表示我深深地感谢！延时符谢谢您的指导THANK YOU FOR YOUR GUIDANCE.