基于重叠网格技术和VOF模型的潜艇热尾流浮升扩散规律的数值与实验研究

研究潜艇热尾流的浮升扩散规律和水面红外特征对红外探潜具有重要意义。以潜艇缩比模型为研究对象,建立了潜艇热尾流三维计算模型。分别使用重叠网格、VOF （Volume of Fluid）模型方法和来流法,对潜艇热尾流的浮升扩散过程进行了数值模拟。分析了潜艇热尾流的浮升扩散规律和温度场特征。使用实验测得的水面红外热像图和热尾流浮升扩散图像对两种仿真方法的精度进行了对比验证。结果表明:基于重叠网格和VOF模型的数值模拟方法精度较高,模拟得到的热尾流最大温度出现时间相差0.2 s,温度偏差为0.003 K,能够很好地模拟潜艇热尾流的浮升扩散和温度分布特性。     

排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响

水下航行器动力系统循环冷却水经由排放口排出,与环境水体掺混换热形成热射流。热射流在环境水体中扩散、浮升并在水体表面形成红外特征。为探究排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响,文中采用仿真分析结合实验验证的方法进行研究。依托CFD计算软件平台建立水下航行器运动模型,设计不同半径比椭圆形排放口结构并对比热射流红外特征差异。通过缩比水池实验验证椭圆形排放口半径比对热射流红外特征的影响,同时验证仿真计算方法及设计参数的有效性。在椭圆形排放口的基础上,进一步设计排放口数量及分布位置,抑制热射流红外特征,提升水下航行器热隐身性能。根据仿真计算及实验结果可知,在排放流量相同的条件下,半径比越小的椭圆形排放口热射流掺混换热效果越好,红外特征越不明显。同时,增加排放口数量以及排放口分布位置采用两翼排列方式可以进一步加强热射流温度衰减,降低水面最高峰值温度。     

水雾热遮蔽过程的辐射与导热耦合换热

人工水雾对热辐射有着强烈的散射和吸收,可用于火灾安全和红外隐身。将水雾视为吸收、各向异性散射的灰体介质,考虑水雾的介质辐射、多重散射和环境的影响,利用窄谱带模型和Mie散射理论计算离散谱带的平均光学系数,将辐射传输方程和能量守恒方程耦合计算,建立了8~14微米红外辐射在水雾中衰减的计算模型。应用蒙特卡洛法与本文算法作对比,验证了模型的正确性;计算分析了目标在水雾遮蔽下的辐射强度场、热流密度散度以及对水雾温度场的影响;利用本文模型计算了光谱半球通过率,通过与朗伯比尔定律作对比,反映了介质辐射、多重散射、辐射热流等因素使得水雾遮蔽效率降低。     

细水雾遮蔽红外辐射的数值分析

细水雾对热辐射有着强烈的散射和吸收,可用于舰船等军事目标的红外隐身。将水雾视为吸收、发射、各向异性散射介质,通过谱带离散处理水雾的非灰特性,利用Mie氏理论计算离散谱带内的平均光学系数,建立了8~14 m红外辐射在细水雾中的传输模型,并利用有限体积法进行了分析计算。研究发现,采用均值粒径假设计算辐射透射率时会有一定误差,应用数量矩均值粒径时Sauter粒径误差最小,线性平均粒径误差最大;水雾自身辐射与内散射对透射率的影响较大,计算中应考虑;提高水雾浓度,减小均值粒径,可有效抑制透射率。     

基于DPIV的微气泡瞬态数密度与粒径谱测量研究

基于数字粒子图像技术及CCD成像的景深原理,提出了测算微气泡数密度和粒径谱的方法。推导出了测算数密度和粒径谱的公式,建立了算法流程。最后设计了实验系统,用该算法测量了由陶瓷管微气泡发生器产生的气泡数密度和粒径谱。研究发现,应用景深原理测量的气泡数密度规律与实际数据相符,水槽中气泡的数密度与调频器的频率正相关。基于内接圆标记的气泡粒径测算结果的变化规律与已有实验数据的规律一致,较之直接提取气泡图像像素计算半径更加准确。     

恒热流边界条件下降膜温度场及其对红外探测距离的影响

深入分析了利用恒热流边界条件下下降液膜（降膜）技术对军事目标垂直进行红外抑制的方法。建立了层流降膜的流动与传热模型,采用能量守恒法,忽略液膜入口段效应,得到了降膜表面的温度分布,简化了求解过程。通过与不同研究者结果做对比,验证了能量守恒法对于评估降膜在充分发展段换热过程的有效性。计算了探测器对采用液膜红外抑制技术后目标的识别距离,结果表明:增大液膜流动的流量、合理控制液膜入口温度可增强对特定目标的红外抑制效果。本人的研究方法和结论对军事目标的红外抑制领域具有中重要的参考意义。