自动力潜艇热尾流水面热特性的实验研究

胡日查，郭 亮，张旭升

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130031)

自动力潜艇热尾流水面热特性的实验研究

胡日查，郭 亮，张旭升

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130031)

本文研究了实验水槽中自动力潜艇热尾流水面热特性，消除了除潜艇自身特征外其他拖动组件对热尾流扩散的影响，更加准确地再现了热尾流的扩散过程。通过热尾流温度分布预测了潜艇热尾流由热流区和冷热流混合区 2 个区组成，解释了 2 个区形成的过程，而热流区几乎全部由热流团组成，而且温度相对更高。红外热像仪拍摄的潜艇热尾流水面温度场分布图再次验证了热尾流水面热特性预测的正确性。本文对红外遥感探潜具有一定的参考价值。

潜艇；热尾流；温度

0 引 言

军事上常用的反潜手段包括声呐反潜、雷达反潜、磁异探测反潜、激光探测反潜、海洋遥感反潜等[1 – 3]。现代潜艇降噪技术的发展使得潜艇的噪声级已非常低，甚至与海洋背景噪声级接近[4]；作战时潜艇长时间处于水下航行或静默，无法使用潜艇特征探测手段确定其方位；当遇到雾、雨、雪和低云天气时磁异探测将受到极大制约；由于激光在海水中存在衰减、色散、后向散射等现象，激光探测受到影响[5]。热尾流红外探测是海洋遥感反潜手段的一种，由于其被动全天候昼夜工作，具有可靠、快速响应、优质显示、抗干扰能力强的特点，现已成为探潜系统的新方向。

2003 年，顾建农等[6]建立了密度分层环境中热尾流的计算模型，并测量了潜艇模型热尾流轴线浮升规律、截面温差分布规律和轴线温差衰减规律；2005年，顾建农等[7]建立了分层环境下由抛物化 RaNS 方程及能量方程组成的舰船远场热尾流计算数学模型，研究了尾流温度分布特性和宽度扩展规律；2007 年，张晓怀等[8]在综合考虑海面发射率、天空辐射、阴影遮挡系数、环境大气等因素对探测器接收到的辐射能量的影响前提下计算了潜艇热尾流浮升到海面之后的辐射亮度，确定热尾流的红外辐射特性与探测方位、风速、尾流温度、环境温度与湿度等因素密切相关；2011 年，张修峰等[9]在水池中实验研究了螺旋桨推进潜艇模型在有无温度分层流体中尾流的热特性，得到2 种条件下尾流的温度分布和信号衰减规律，并分析了其影响因素。

上述文献研究方向主要集中在热尾流的理论计算或仿真计算领域，部分实验中使用了拖动潜艇模型的方法得到热尾流温度分布的相关数据。为消除潜艇自身特征外其他实验辅助特征对流场产生的扰动，本文在亚克力透明实验水池中利用螺旋桨推动遥控潜艇模型对潜艇热尾流热特性进行研究，得到潜艇热尾流水面分布的热特性。

1 热尾流研究实验系统

潜艇模型热尾流研究实验系统共由 6 部分组成。分别是自动力遥控潜艇模型、热尾流稳定温度流发生装置、实验水池、铂电阻测温传感器组、Aglient 温度数据采集系统和辅助成像装置。

潜艇模型全长 968 mm，艇身直径为 110 mm，具有水下升降排水功能及电机动力装置，无需使用其他组件拖动可在水下完成前进、变向及升降动作；实验水池使用透明亚克力材质制作，长宽高为 10.0 m × 1.5 m × 1.0 m；热尾流稳定温度流发生装置由流体驱动泵、主路及旁路水路、阀门、涡轮流量计和管路组成。热流体经过固定于潜艇模型尾部硅胶软管以恒定流量排出；选择铂电阻作为测温传感器，为减小测量误差使用 3 线制连接方式连接于数据采集仪；温度数据采集系统使用 4 台 Agilent 数据采集仪，并连接采集电脑，对温度进行实时采集；使用 FLIR SC3000 红外热像仪作为辅助成像装置，实时观察尾流发展动态。整个实验系统如图 1 所示。

测温传感器在实验水池中的布置方式如图 2 所示。在实验水池中沿长度方向每隔 0.5 m 布置1组传感器，沿宽度方向每隔 0.375 m 布置1组传感器，沿高度方向每隔 0.25 m 布置1组传感器（充分发展段截面 1 及截面 2 在水底各加布 1 个测温传感器，沿高度方向均匀布置 4 个测温传感器），共布置 116 个传感器。

在测量过程中，考虑到模拟水池壁面效应的影响，以热尾流充分发展段范围内布置的 8 个截面共 48个传感器作为主要关注对象。根据热尾流的浮升特性，将 8 个截面中线位置的 8 个传感器作为主要温度参考点，如图 2 虚线框所示。

2 实验数据及分析

实验过程中水表面温度为 20.80 ℃，潜艇热尾流温度为 62.5 ℃，体积流量为 30 ml/s，由 ф7 内径的硅胶管稳定地排出。潜艇模型航行速度为 0.82 m/s，潜水深度为 300 mm。数据采集系统每隔 2 s 采集一次数据并实时保存。

沿水池宽度方向共布置了 3 个截面测温传感器，沿潜艇运动方向从左至右 3 个截面温度传感器测量温度曲线如图 3～图 5 所示。各曲线图中的小坐标系为 8个曲线簇中变化规律比较明显的 3 条曲线。

潜艇模型航速为 0.82 m/s，驶过 1#～8# 测温点只需要 4.3 s，因此图 3～图 5 曲线主要反映了热尾流扩散的过程。图中的小坐标图展示了温度变化过程，从稳定的初始温度突然上升达到峰值后逐渐开始波动式缓慢下降。曲线中的各峰值说明有热尾流经过传感器，而第 1 个峰值是热尾流第 1 次接触传感器所致，第 1 次到达时也是热尾流温度最高的时候。随着热尾流的进一步扩散，热尾流与周围冷流发生对流、传导换热，温度逐渐下降。由于冷热流无规则接触传感器，曲线交替出现无规则波动，而波动的幅值取决于冷热流的温度和分布。冷热流的分布很难预测，加之潜艇螺旋桨的搅动，加剧了冷热流的紊乱程度。

通过比较上述 3 个温度曲线簇发现，图 3和图 5的温度变化规律更为接近，与图 4 有明显的不同。图 4的 8 个测温点温度上升时间区间比较接近，第 1 次出现温度极值的时间点也比较集中，在 50 s 内均已出现温度第 1 次极值。但图 3和图 5 曲线簇第 1 次出现温度极值所需时间区间更长，而且出现温度极值的时间点更为分散。温度值出现第 1 次极值后，在热尾流扩散的过程中，图 4 展示的中间截面 8 个测温点温度值下降规律近似相同，曲线相互交错下降。而图 3、图 5展示的左右 2 个截面每个测温点温度曲线更分散。中间截面热流主要由热尾流直接浮升而来。由于浮升路径最短，扩散时间也短，与周围流体发生的换热量也相对较少，因此，中间区域主要由温度相对较高的热流组成。当浮升到与空气的交界面后热尾流向两侧扩散，从而导致中间截面热尾流温度逐渐下降。到达左右两侧截面热流不仅包含从水下浮升而来的热尾流还包含从中间截面扩散去的热流，在浮升和扩散过程中不可避免地与周围流体掺杂混合，形成冷热相间的流体团，因此左右截面测温点温度波动更为剧烈，而且温度下降趋势更缓慢，冷热流浮升截面图如图 6所示。

根据潜艇热尾流在水面上的温度分布，水面热尾流区域可认为由 2 个区组成，即热流区和冷热流混合区。热流区中热流团相对于冷流团的占比更高，可认为几乎全部由热流团构成。因此，此区域相对于其他区域温度更高；随着热尾流的扩散，冷热流发生对流及传导换热，出现冷热流混合区。此区域的特点是冷流团及热流团无规律分布，温度相对于热流区较低。热尾流进一步扩散，热量将被热沉（恒定温度的水环境）继续吸收，从而温度进一步降低，直至与热沉温度相同，热尾流演化过程示意图如图 7 所示。

使用红外热像仪拍摄潜艇尾流图片如图 8 所示。红外摄像仪拍摄得到的图片中显示的温度需要通过其他参数设定而求解得到，存在一定误差。因此红外图片只是起到辅助观测作用，实验温度值仍以铂电阻温度传感器测量值为准。

通过热尾流红外图片可以进一步确认，热尾流的分布规律。水面热尾流组成的三角形区域中沿中线的区域几乎全部由高温亮色区域组成，随着尾流的进一步扩散亮色区域逐渐与暗色区域混合（冷热流混合），出现无规律亮暗相间混合的区域。红外图片展示的冷热流分布规律与铂电阻测量得到的温度分布规律非常吻合。

3 结 语

1）潜艇热尾流在水面上的分布可分为 2 个区域，分别是热流区和冷热流混合区。热流区主要由温度相对高的热尾流组成，随着热尾流的扩散形成了冷热流混合区；

2）热流区主要沿潜艇热尾流组成的三角形区域中心线分布。此区域的热流主要由潜艇热尾流直接从水下浮升到水面形成。由于浮升到水面的路径最短，与冷水发生的对流及热传导换热最少，因此热流区温度相对于其他区域热流所占比重更高，温度也更高；

3）冷热流混合区由从水下浮升而来的热尾流及达到水与空气界面向两侧扩散的热流组成。由于浮升路径相对更长，与周围冷水发生的传热更多，因此此区域中冷、热流团同时无规律存在于水表面，而且热流团温度相对热流区较低；

4）冷热流混合区温度无规律性变化，这是由于热流无规则扩散造成。热流的扩散主要受到热尾流自身温度、水温、潜艇深度、排放热尾流流量、潜艇螺旋桨转速及扩散过程中水的流动特性等因素的影响，因此非常复杂。

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[6]顾建农, 张志宏, 郑学龄. 潜艇热尾流特性的计算模型与实验研究 [J]. 鱼雷技术, 2003, 11(1): 40–44.

[7]顾建农, 张志宏. 红外探测水面舰船远场热尾流的数学模型与计算 [J]. 激光与红外, 2005, 35(5): 341–344.

[8]张晓怀, 陈翾, 杨立. 潜艇热尾流红外特征分析与计算[J]. 红外与激光, 2007, 37(10): 1054–1057.

[9]张修峰, 杨立, 吴猛猛, 等. 温度梯度环境中潜艇尾流热特性的实验研究 [J]. 实验流体力学, 2011, 25(5): 45–48.

Experimental study on infrared signature of thermal wake of remote control submarine

HU Ri-cha, GUO Liang, ZHANG Xu-sheng
(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130031, China)

This paper discusses thermal characteristics of surface thermal wake of remote control submarine in the water channel. In this research, influences caused by other structure features except self features of submarine are eliminated and diffusion process of thermal wake is reappeared accurately. According temperature distribution of thermal wake, this paper estimates that thermal wake of submarine consists of hot area and hot-cool mixed area, then forming process of abovementioned two areas is explained. Hot area is made of hotter water flow, of which temperature is higher than other areas. Correctness of thermal characteristics of thermal wake is verified by surface temperature field picture. This paper has reference value for infrared detection.

submarine；thermal wake；temperature

TK123

A

1672 – 7619(2017)06 – 0053 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.011

2016 – 08 – 07；

2016 – 09 – 05

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所创新基金资助项目(Y4CX1SS144)；中国科学院青年创新促进会资助项目(2015173)

胡日查(1986 – )，男，助理研究员，从事多相流传热与流动等研究。