密度分层流中运动潜体尾流场特征研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：：编号工学硕士学位论文密度分层流中运动潜体尾流场特征研究硕士研究生：牛明昌指导教师：丁勇教授、学科专业：船舶与海洋结构物设计制造论文主审人：段文洋教授哈尔滨工程大学２０１８年３月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文密度分层流中运动潜体尾流场特征研究硕士研究生：牛明昌指导教师：丁勇教授学位级别：工学硕士学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2018年01月04日论文答辩日期：2018年03月11

2、日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngResearchontheCharacteristicsofWakeFieldGeneratedbySubmergedBodyMovinginPycnoclineCandidate:NiuMingchangSupervisor:Prof.DingYongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:

3、DesignandConstructionofNavalArchitectureandOceanStructureDateofSubmission:Jan.04,2018DateofOralExamination:Mar.11,2018University:HarbinEngineeringUniversity密度分层流中运动潜体尾流场特征研究摘要由于热量及盐度分布不均等因素，海洋中存在着大范围的密跃层。当潜体航行于密跃层附近时，其体积效应和尾流效应会激发产生内波场。内波场诱发的表面流会与海面背

4、景微尺度波和张力波产生调制作用，改变流场的辐聚辐散强度，形成粗糙度不同的褶皱波纹。合成孔径雷达（SAR）能够精确捕捉海面粗糙度信号，对潜体进行探测。本文针对潜体在密度分层流中航行时的特殊水动力学问题，采用CFD方法研究其尾流场特征。首先以圆球为研究对象，基于温度异重流模型实现流场密度的连续分层，采用LES方法对不同Froude数和Reynolds数组合下的圆球绕流进行数值模拟。结果表明，在低Froude数情况下，尾流场呈现出准二维的流动形式，在高Froude数情况下，尾流场的垂向运动变得明显。数

5、值结果和实验结果在定性和定量上保持一致，验证了CFD方法在研究密度分层流中运动潜体尾流场时的可行性与准确性。其次，在以上研究基础上，将流体密度分层形式从连续分层改为更接近于实际情况的混合分层，采用LES方法研究运动圆球尾流场，保持Froude数和Reynolds数不变，仅研究密度分层形式的改变对内波场带来的影响。结果表明，在低Froude数情况下，密度分层形式对尾流场水平运动的影响较大；在高Froude数情况下，密度分层形式对尾流场垂向运动的影响更大。再次，参考中国海域水文资料，构建更贴近实际海

6、洋环境的密度混合分层模型，采用RANS方法研究实尺度Suboff潜艇的航行尾流场，基于体积分数模型捕捉自由面流场特征，研究潜艇航速、潜深和跃层密度梯度对尾流场特征的影响。结果表明，自由面上会产生类似于Kelvin波的兴波，潜艇尾部的密跃层会形成突变区域或隆起区域，同时潜艇航速和潜深对尾流场特征的影响相对于跃层密度梯度要大。最后，基于数值边界造波法，结合波浪谱模拟真实海面环境，研究实尺度全附体Suboff潜艇定常运动时诱发表面流场与海面不规则波浪的调制作用，考虑表面张力和螺旋桨的影响，讨论尾流场特

7、征，分析自由面辐聚辐散强度及粗糙度的变化。关键词：密度分层流；运动潜体；温度异重流；尾流场；数值模拟密度分层流中运动潜体尾流场特征研究AbstractBecauseoftheheatradiationfromsunandthermohalinecirculation,therearemanypycnoclinesintheocean.Whenasubmergedbodytravelsnearthepycnocline,internalwavewakeswillbeexcitedbecauseof

8、volumeeffectandturbulentwakeeffect.Theinternalwavewakesinvolvewiderange,longdurationandcanmodulatewiththemicroscalewavesandcapillarywavesinthefreesurface.Foldswithdifferentroughnesswillbegeneratedbecauseofthechangeofconvergenceanddivergenceofflowfiel