基于OpenFOAM的波浪对舰船水压场识别影响研究＊

吕连立 孙鹤泉 王继光 黄鹏飞

（1.92493部队 葫芦岛 125000）（2.海军大连舰艇学院军事海洋系 大连 116018）

（3.中国白城兵器试验中心 白城 137001）

1 引言

舰船水压场是指由舰船运动而引起的水底压强变化，是水下武器识别舰船的重要判据。对舰船水压场的研究可以为水下武器通过舰船水压场实现对舰船的识别和攻击提供理论依据，具有重要的军事意义。国内对舰船压力场的研究取得了很多积极成果，但主要研究方法是理论研究和实验研究［1～5］，采用数值模拟方式进行的研究比较少见。

海表波浪是影响水下武器识别舰船水压场的重要因素，在利用舰船水压场对舰船进行探测或打击时要予以考虑。波浪的主要影响在于其产生的水下压力场的峰谷变化类似于舰船水压场的负压分布特征，对水下武器识别舰船水压场有一定影响，能够使水下武器将其误判为舰船水压场。分析波压场分布，尤其是波压场在水下分布和衰减情况，以及波压场对于识别舰船水压场的影响，对于利用水压场对舰船进行识别和军事打击有重要作用。本文通过开源代码OpenFOAM［6］建立了数值波浪水槽，对不同水深、不同波长、不同波高的规则波压力场进行了模拟分析。

2 数值造波

二维数值波浪水槽的控制方程采用连续性方程和以速度和压力为变量的不可压缩粘性流的二维N－S方程［7］。连续性方程和动量方程分别如下表示：

其中，u和w分别为两方向的速度分量，ρ为流体密度，ν为流体的运动学粘性系数，μ（x）为消波系数，在不同区域需要采用不同的消波系数。

本文采用OpenFOAM来实现数值波浪水槽，迭代求解上述偏微分方程组。OpenFOAM是Open Field Operation and Manipulation的简称，是应用于计算连续介质力学的C＋＋类库，因其开源特性和可靠性能，在国内外得到了广泛应用，目前在数值水槽的模拟方面也得到了很好的应用［8～11］。

本文采用自主开发移植到Windows操作系统下的OpenFOAM建立数值波浪水槽，实现数值造波与消波，并以此为基础来分析波浪场对舰船水压场的影响。OpenFOAM的造波模块waveFoam是基于interFoam模型开发而来，可完成线性波、椭圆余弦波、摆线波、孤立波、Stokes波等波浪的模拟。本文采用Stokes波造波，通过设定具体的波浪参数，生成符合本文计算要求的数值波浪场，通过分析波压场变化规律来研究其对水下武器识别舰船水压场的影响。

由于能够影响到水下武器识别舰船水压场的是波压场在水下的分布，因此必须分析波压场随深度的衰减变化，依据波压场衰减规律来评估实际情况下波压场在不同水深海底的分布情况，进而衡量其对水下武器识别舰船水压场的影响。

为了能够分析波浪压力场的变化规律，并评估其对水下武器识别舰船水压场的影响，本文共建立了水深为20m和40m的两个数值波浪水槽，模拟了不同波长、不同波高条件下波浪压强分布的变化规律。波浪水槽的左边界为波浪输入入口，右边界为消波区域边界，底边界为壁面边界，上边界为压力出口边界。本文共设计了八组实验，实验参数如表1所示。本文根据数值模拟实验的计算结果，系统地分析了波压场随水深变化的衰减规律。

以第三组实验为例来介绍基于OpenFOAM数值造波的实现方法。首先采用开源代码GMSH实现数值水槽模型的建立和网格划分，通过Open－FOAM的网格转换程序gmshToFoam转换为Open－FOAM计算格式。设定waveFoam所需的波浪参数：水平面位置、造波类型、周期、圆频率、水深、波数、波高等，同时还要设定造波区域和消波区域。

表1 数值造波实验参数表

图1表示距离左边界20m处波高随时间变化情况（以左边界作为0点，0m～40m范围为造波区域）。

图1 距离左边界20m处波面变化

3 波压场计算

波浪对水下武器识别舰船水压场的影响主要在于其波压场的峰谷变化类似于舰船水压场负峰压力分布形态。波压场峰谷压力差类似于舰船水压场负峰值，反映了波压场的强度特征。定义波压场峰谷差值Pmax＝PH－PL作为波压场的特征参量，通过Pmax来衡量波压场对水下武器识别舰船水压场的影响情况。Pmax的数值是随水深变化的，需要先分析Pmax值随水深的变化规律，再分析Pmax对水下武器识别舰船水压场的影响。如图2～图4所示，分别为第三组实验中0.2m、10m、20m水深处的波压场。

图2 第三组中0.2m水深处的波压场分布

图3 第三组中10m水深处的波压场分布

图4 第三组中20m水深处的波压场分布

由于表面波长为20m，水下波压场波长变化的空间尺度也为20m。在水面（0.2m水深）Pmax值为3513Pa、10m水深处为180Pa、20m水深处为14Pa。半波长深度处Pmax值衰减为表面的5.1%，一倍波长深度处Pmax值衰减为表面的0.39%。

表2列出了水深20m和水深40m情况下数值波浪水槽模拟的不同波况下Pmax值在海表面、半波长深度和一倍波长深度处的大小。分析8组数值模拟实验结果，半波长深度处波压场强度已经显著衰减，Pmax值在半波长深度处约为水表面强度的5%左右；当深度达到一倍波长深度处，波压场已经不明显，Pmax强度约为表面的0.5%以下，且多数情况下为0.2%左右。

表2 不同波动情况下的Pmax值

4 波压场影响分析

结合数值模拟结果，本文分三种情况来分析波浪场对舰船水压场的影响。

1）实际作战海域水深大于当地波浪主波长时，Pmax值约为表面的0.5%以下，由海表波浪产生的压差很小，可不考虑波浪场对舰船水压场的影响。

2）实际作战海域水深大于当地波浪主波长的一半但小于一倍波长时，Pmax值介于表面波压的0.5%～5%之间，要根据实际情况下的水深和波长进行具体分析。

3）实际作战海域水深小于当地波浪主波长的一半时，波压场产生的水下负压分布已经达到甚至超过舰船水压场的负压强度，必须要根据波压场的特征与舰船水压场特征的差别予以判别。

由以上分析可知，波压场对水下压力场分布有重要影响，但是其影响大小取决于波浪波长以及实际作战水深。当波压场产生的负压强度能够达到舰船水压场负压强度时，必须要考虑波压场的影响。

5 结语

本文的主要工作是通过对波压场的研究，为水下武器区分波压场和舰船水压场提供理论依据，防止波浪对水下武器识别舰船水压场产生影响。本文通过OpenFOAM建立数值波浪水槽，分析了海表波浪在水下引起的压力场分布特征，以及类似舰船水压场分布特征的负压强度变化特征。通过数值模拟结果分析表明：波压场水下分布呈现与表面波动情况相对应的波动分布特征，其峰谷压力差在半波长深度处衰减为表面值的5%左右、一倍波长深度处衰减为0.2%左右。对于实际作战海洋环境条件下，当水深大于当地波浪主波长时，可以完全不用考虑波浪对舰船水压场识别带来的影响；当实际水深小于波长但大于半波长时，需要根据当地实际情况作具体判断；当实际水深小于半波长时，必须考虑消除波浪产生的负压变化信号。

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［6］http：／／www.openfoam.org［OL］.

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