潛艇水壓場(chǎng)及其判別方法的數(shù)值模擬研究*

馬振富　孫云鵬　黃鵬飛　王亞寧　趙甲林

(中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心氣象室　白城　137001)

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潛艇水壓場(chǎng)及其判別方法的數(shù)值模擬研究*

馬振富孫云鵬黃鵬飛王亞寧趙甲林

(中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心氣象室白城137001)

摘要論文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,結(jié)合Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),對(duì)潛艇水下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬?；跀?shù)值模擬數(shù)據(jù),提出了一種新的潛艇水壓場(chǎng)判別方法。結(jié)果表明:潛艇水壓場(chǎng)呈“馬鞍形”分布特征,負(fù)壓縱向分布長(zhǎng)度大約為一倍艇長(zhǎng)L,潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓極值隨航行速度和航行深度變化顯著,與流場(chǎng)動(dòng)壓呈線性相關(guān)關(guān)系,是表征潛艇水壓場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)志性特征參量;水壓場(chǎng)壓力系數(shù)分布只隨潛艇與水底間距離變化而變化,當(dāng)距離不變時(shí),壓力系數(shù)分布不隨航行速度發(fā)生變化;基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間和航行體運(yùn)動(dòng)速度相結(jié)合的判定新方法,對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)能夠進(jìn)行有效判斷。

關(guān)鍵詞數(shù)值模擬; 潛艇水壓場(chǎng); 判別方法

Numerical Simulaiton of Hydrodynamic Pressure Field of the Submarine and Discriminant Method

MA ZhenfuSUN YunpengHUANG PengfeiWANG YaningZHAO Jialin

(Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng137001)

AbstractUsing the standardk-εmodel, with fluent dynamic meshes, this paper siumulates the hydrodynamic pressure field stimulated by a moving submarine. Basing on the simulation, a new discrimination method of the hydrodynamic pressure field is rised. The result demonstrates that the distribution of hydrodynamic pressure field seems like a horse saddle. The negative pressure distribution length is approximately one times of the captain length. While the extreme negative value of the pressure field, which is the characterization of submarine pressure field strength, has linear relationship with the flow dynamic pressure, and significantly varies with the speed and depth of the submarine, the distribution of hydrodynamic pressure field pressure coefficient only changes with the diversification distance of submarines and seabed. r when the voyage depth is constant, the distribution will not change with speed. The new method based on the combination of the duration of negative pressure and voyage speed provide can effectively judge on a high speed target.

Key Wordsnumerical simulation, hydrodynamic pressure field of the submarine, discriminant method

Class NumberU674

1引言

目前,水下武器主要通過(guò)探測(cè)潛艇產(chǎn)生的物理場(chǎng),包括磁場(chǎng)、水聲場(chǎng)、壓力場(chǎng)和電場(chǎng)[1],來(lái)識(shí)別潛艇。這些物理場(chǎng)中,就目前的技術(shù)而言,潛艇運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水底壓力場(chǎng)是最難以被消除和模擬的[2～4],因而潛艇運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水壓場(chǎng)是識(shí)別潛艇的重要判定因素。

潛艇水壓場(chǎng)指的是由潛艇運(yùn)動(dòng)而引起的水底負(fù)壓分布,其分布特征具有鮮明特點(diǎn),是水下武器識(shí)別潛艇的重要判據(jù),對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的研究可以為水下武器通過(guò)潛艇水壓場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇的識(shí)別和攻擊提供理論依據(jù),具有重要軍事意義。尤其是對(duì)于目前新提出的用于近海特種作戰(zhàn)的小型潛艇,其噪聲水平極低,難以被聲納發(fā)現(xiàn),但可以利用水壓場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和打擊[5～7]。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下航行體產(chǎn)生的壓力場(chǎng)的研究做了許多工作,也取得了不少成果。根據(jù)水下航行體航行海區(qū)的水深以及是否近底或近水面航行,開(kāi)發(fā)了不同數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論預(yù)報(bào)。當(dāng)處于大水深條件下近底航行時(shí),可以不計(jì)興波影響,采用細(xì)長(zhǎng)體或回轉(zhuǎn)體假定。當(dāng)水深淺或近表面航行時(shí),就要考慮水面興波的影響,采用有限水深Kelvin源格林函數(shù)的水壓場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合理預(yù)報(bào)[8～12]。近底拖曳拖體的計(jì)算方法研究方面,對(duì)近底拖曳式水壓掃雷具進(jìn)行了理論研究,研究成果可以用來(lái)模擬艦船產(chǎn)生的水壓場(chǎng),完成掃雷任務(wù)[13～15]。

目前而言,國(guó)內(nèi)外對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的主要研究方法是理論研究和實(shí)驗(yàn)研究,采用數(shù)值模擬方式進(jìn)行的研究成果比較少見(jiàn)。同時(shí),對(duì)于水下高速目標(biāo)的水壓場(chǎng)識(shí)別方法上還存在一定不足。本文正是針對(duì)這些方面,對(duì)潛艇水壓場(chǎng)及其判別方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究,對(duì)于水下武器通過(guò)潛艇水壓場(chǎng)來(lái)識(shí)別和攻擊潛艇提供了理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

2理論公式和數(shù)值模型

2.1理論公式

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,結(jié)合Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),對(duì)潛艇水下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力場(chǎng)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是求解時(shí)均化Navier-Stokes方程中Reynolds應(yīng)力項(xiàng)的一種渦粘模型,是湍流模型中Reynolds平均法(RANS)的一種。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中μt(湍動(dòng)粘度)的確定是關(guān)鍵,需要根據(jù)湍流動(dòng)能和耗散方程來(lái)確定。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不考慮分子粘性,并且假定流動(dòng)發(fā)展為完全湍流。

模型中湍動(dòng)耗散率ε被定義為

(1)

μt(湍動(dòng)粘度)表示成k和ε的函數(shù),即:

(2)

其中,Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程中,求解k和ε的輸運(yùn)方程如下:

+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

其中Gk表示湍動(dòng)能k(平均速度梯度導(dǎo)致的)的產(chǎn)生項(xiàng),Gb表示湍動(dòng)能k(浮力產(chǎn)生的)的產(chǎn)生項(xiàng),YM表示脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)(可壓縮),C1ε、C2ε、G3ε由經(jīng)驗(yàn)數(shù)值確定,σk和σε表示Prandtl數(shù)(湍動(dòng)k和耗散率ε),Sk和Sε表示自定義項(xiàng)。各項(xiàng)的計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)如下:

(5)

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中,模型常數(shù)C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε的取值為

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3

對(duì)于不可壓縮流動(dòng)并且沒(méi)有用戶自定義源項(xiàng)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型變?yōu)?/p>

(6)

(7)

2.2數(shù)值模型

本文潛艇模型以我軍某型潛艇尺寸參數(shù)為基礎(chǔ),潛艇長(zhǎng)寬尺寸為92.6m×17.2m的長(zhǎng)流線型模型(長(zhǎng)度尺度用L表示)。由于本文并不掌握該型潛艇具體參數(shù),僅以此公開(kāi)參數(shù)為基礎(chǔ)自行設(shè)計(jì)了本文計(jì)算所需潛艇模型。潛艇模型長(zhǎng)度為92.6m,高度為17.2m,頭部弧線段長(zhǎng)度為10m,尾部弧線段長(zhǎng)度為12.6m,中間直線段長(zhǎng)度為70m,除艦橋以外的高度為12m,艦橋高度為5.2m(由于不掌握該型潛艇具體參數(shù),以上所有數(shù)據(jù)均為自己設(shè)定,僅僅滿足基本外形的相似)。潛艇數(shù)值計(jì)算的水槽模型尺寸為1000m×92.6m,長(zhǎng)度為1000m,深度為92.6m(尺度L)。

為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間,同時(shí)為了保證動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算的正常進(jìn)行,網(wǎng)格劃分時(shí)采用的是三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格嵌套、密集網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格結(jié)合的方式。對(duì)于存在潛艇運(yùn)動(dòng)的區(qū)域,由于受到動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算穩(wěn)定性條件的限制,采用的是0.5m×0.5m分辨率的三角形網(wǎng)格(三角形網(wǎng)格能夠保證動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格重新劃分的穩(wěn)定性)。對(duì)于其它區(qū)域則采用的是分辨率為0.5m×2m的四邊形網(wǎng)格。最后,網(wǎng)格劃分完成后,計(jì)算模型網(wǎng)格總體數(shù)量大約為300000個(gè)。由于需要考察不同深度下,潛艇水壓場(chǎng)不同條件下的變化情況,因此計(jì)算時(shí),總共分為了三層深度,分別為距離水底0.6L、0.5L、0.4L這三種深度的計(jì)算模型。計(jì)算時(shí),對(duì)于每種深度模型而言,分別計(jì)算了潛艇速度為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s六種情況下潛艇水壓場(chǎng)。

由于計(jì)算時(shí)分別設(shè)定了潛艇處于距離水底0.6L、0.5L、0.4L這三種深度情況下,各計(jì)算情況下模型圖僅僅區(qū)別在航行體處于計(jì)算模型內(nèi)的相對(duì)位置,其余網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)定等情況基本一致。因此,僅展示0.5L深度情況下計(jì)算域模型圖,其余計(jì)算模型圖不再重復(fù)。計(jì)算域模型圖如圖1。

圖1　計(jì)算域及計(jì)算模型

表1　潛艇水壓場(chǎng)實(shí)驗(yàn)編號(hào)

3潛艇水壓場(chǎng)的分布特征及其壓力系數(shù)分析

3.1潛艇水壓場(chǎng)分布特征

圖2　距離水底0.6L時(shí)六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布

在對(duì)本文所選取計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證之后,分別對(duì)編號(hào)H0.6-V1到H0.4-V6共18組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬,提取潛艇水壓場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)分析。

圖2表示H0.6-V1到H0.6-V6這6種實(shí)驗(yàn)情況下潛艇在水底產(chǎn)生的水壓場(chǎng)壓強(qiáng)值的縱向分布(壓強(qiáng)值為相對(duì)值)。由圖可知,潛艇水壓場(chǎng)的縱向分布呈“馬鞍形”分布,呈現(xiàn)中間低兩肩高的鮮明分布特征。潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰(潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓分布中的壓強(qiáng)相對(duì)最低值),位于潛艇縱向中心正下方,且無(wú)論潛艇速度如何,負(fù)峰位置不發(fā)生變化。潛艇水壓場(chǎng)兩個(gè)正峰(潛艇水壓場(chǎng)分布于兩肩的壓強(qiáng)相對(duì)最大值)分別位于距離潛艇縱向中心前后1L處,隨潛艇速度變化其位置不發(fā)生明顯變化。潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓持續(xù)長(zhǎng)度大約為一倍艇長(zhǎng)L,基本不存在變化。對(duì)于這同一航行深度情況下的六組實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言,潛艇水壓場(chǎng)壓力分布特征是類似的,差別主要在負(fù)壓強(qiáng)度的不同。

為了進(jìn)一步分析同一深度下(H0.6情況下)不同速度間(V1～V6)潛艇水壓場(chǎng)的差異,圖3將這六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力值縱向分布進(jìn)行了匯總。相比于每組實(shí)驗(yàn)情況下潛艇水壓場(chǎng)壓力值分布圖而言,此種方式可以明顯的看出不同速度間潛艇水壓場(chǎng)的差異。由圖可知,潛艇水壓場(chǎng)壓力值負(fù)峰和正峰強(qiáng)度隨潛艇航行速度變化明顯,當(dāng)潛艇航行速度為1m/s時(shí),負(fù)峰強(qiáng)度為50Pa,而當(dāng)潛艇航行速度為6m/s時(shí),負(fù)峰強(qiáng)度則達(dá)到接近2000Pa左右,負(fù)峰強(qiáng)度變化了40倍左右,而正峰強(qiáng)度變化相對(duì)于負(fù)峰變化而言則相對(duì)較小。由圖可知,負(fù)峰值是衡量潛艇水壓場(chǎng)特征的重要變化因素。同時(shí),對(duì)于水壓場(chǎng)負(fù)壓分布長(zhǎng)度而言,不同速度下的水壓場(chǎng)負(fù)壓分布區(qū)域是一致的,過(guò)零點(diǎn)位置一致,負(fù)壓長(zhǎng)度大約為一倍艇長(zhǎng)L。

圖4表示距離水底0.5L時(shí)六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布匯總。對(duì)比圖8可知,此時(shí)潛艇水壓場(chǎng)的負(fù)峰和正峰強(qiáng)度相比于距離水底0.6L時(shí)都有所增強(qiáng)(潛艇航行速度為1m/s時(shí),負(fù)峰強(qiáng)度約為80Pa左右,潛艇航行速度為6m/s時(shí),負(fù)峰強(qiáng)度約為2800Pa),這是由于潛艇與水底距離的減小,使得潛艇運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的流場(chǎng)壓力變化衰減減小而導(dǎo)致的。但是潛艇水壓場(chǎng)整體分布形態(tài)并沒(méi)有產(chǎn)生變化,仍然是負(fù)峰中心位于潛艇中心正下方且位置不隨速度發(fā)生變化,兩個(gè)高值中心位于距離潛艇中心前后1L處,且位置不隨速度發(fā)生變化。潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓分布長(zhǎng)度仍然為一倍艇長(zhǎng)L。同時(shí),潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰變化仍然是最顯著變化特征,能夠反映不同情況下潛艇水壓場(chǎng)的主要特點(diǎn)。

論，該頻率f的瑞利面波相速度λR/2可以近似反映f深度處地下介質(zhì)的平均彈性性質(zhì)，因此該頻率f的勘探深度H近似為：

圖3　距離水底0.6L時(shí)六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布匯總

圖4　距離水底0.5L時(shí)六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布匯總

圖5表示距離水底0.4L時(shí)6組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布匯總。分布特征與前兩種情況下潛艇水壓場(chǎng)分布形態(tài)一致,主要特點(diǎn)相同,細(xì)微變化在于水壓場(chǎng)兩個(gè)高值峰向潛艇中心聚攏,位置由原來(lái)的距離中心前后1L改變到距離中心前后0.8L處。水壓場(chǎng)負(fù)峰值由于潛艇與水底距離的減小而進(jìn)一步增大,當(dāng)潛艇航行速度為1m/s時(shí),負(fù)峰值約為110Pa,當(dāng)潛艇航行速度為6m/s時(shí),負(fù)峰值約4000Pa,相比于前兩種情況而言,負(fù)峰強(qiáng)度顯著增大。同時(shí)說(shuō)明,潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰強(qiáng)度不僅僅能夠反映速度不同帶來(lái)的變化,同時(shí)對(duì)于潛艇與水底間距離的變化也很敏感。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上從H0.6-V1到H0.4-V6這18組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力強(qiáng)度分布的分析,得出結(jié)論如下:潛艇水壓場(chǎng)縱向分布呈“馬鞍形”分布特征且其基本分布形態(tài)隨速度和潛艇與水底間距離變化不大,潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰值位于潛艇中心正下方,兩肩為潛艇水壓場(chǎng)正峰值,位于距離潛艇中心前后0.8L～1L距離處,隨深度略有不同;潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰強(qiáng)度隨潛艇航行速度和潛艇與水底間距離的變化而變化劇烈,是表征潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓強(qiáng)度的重要特征參量,應(yīng)予以重點(diǎn)分析;同時(shí),潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓分布范圍大于為一倍艇長(zhǎng)L。

圖5　距離水底0.4L時(shí)六組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力分布匯總

3.2潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)分析

為了進(jìn)一步分析潛艇水壓場(chǎng)與流場(chǎng)動(dòng)壓之間的規(guī)律特征,參考分析艦船水壓場(chǎng)時(shí)所采用的壓力系數(shù):Cp=Δp/(0.5ρv2)(表征的是艦船水壓場(chǎng)壓力變化與以艦船航行速度為基準(zhǔn)的流體動(dòng)壓之間的比值),定義潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù):Cp=Δp/(0.5ρv2),其中Δp為潛艇水壓場(chǎng)壓力值(相對(duì)值),v潛艇航行速度值。以此來(lái)分析整個(gè)潛艇水壓場(chǎng)與流場(chǎng)動(dòng)壓之間的關(guān)系(即潛艇水壓場(chǎng)與潛艇速度之間的關(guān)系)。

圖6表示H0.6-V1到H0.4-V6這18組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)分布圖。由圖可知,當(dāng)潛艇與水底距離不發(fā)生變化時(shí),潛艇壓力系數(shù)分布圖是相同的,不隨潛艇航行速度產(chǎn)生變化。這說(shuō)明,當(dāng)潛艇與水底距離不變時(shí),潛艇航行引起的流場(chǎng)動(dòng)壓變化導(dǎo)致的水底水壓場(chǎng)變化值與以潛艇航行速度為基準(zhǔn)的動(dòng)壓的比值是一定的。潛艇的水壓場(chǎng)壓力系數(shù)分布只與航行體與水底間的距離有關(guān)系,而與潛艇航行速度無(wú)關(guān)。利用此規(guī)律,在研究潛艇水壓場(chǎng)時(shí),只需在各個(gè)深度上做一組實(shí)驗(yàn)即可得到潛艇在某個(gè)深度上水壓場(chǎng)壓力系數(shù)圖,并根據(jù)壓力系數(shù)和流場(chǎng)動(dòng)壓之間的關(guān)系,得出不同速度情況下潛艇水壓場(chǎng)壓力值分布圖,這能夠大大減少實(shí)驗(yàn)工作量。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知,潛艇水壓場(chǎng)有其獨(dú)特特點(diǎn)。首先,其分布形狀為中間低兩肩高的“馬鞍形”分布形態(tài),中間低值為水壓場(chǎng)負(fù)峰值(用Pmin來(lái)表示),兩肩為分布于潛艇前后的兩個(gè)正值峰,此種典型分布形態(tài)尤其是負(fù)峰Pmin的存在可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的識(shí)別和判斷,因而負(fù)峰強(qiáng)度是潛艇水壓場(chǎng)的一個(gè)重要特征參量。其次,當(dāng)航行深度不變的情況下潛艇水壓場(chǎng)的負(fù)峰Pmin值與以潛艇速度為計(jì)算基準(zhǔn)的流場(chǎng)動(dòng)壓之間呈線性相關(guān)關(guān)系。隨著潛艇與水底距離的減小兩者間正相關(guān)斜率增大,表征同等速度下潛艇與水底距離的減小導(dǎo)致潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓強(qiáng)度的增強(qiáng)。最后,考察了以潛艇運(yùn)動(dòng)速度為基準(zhǔn)的潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)(Cp=Δp/(0.5ρv2),Δp為潛艇水壓場(chǎng)壓力值,v潛艇航行速度值),通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)只與潛艇與水底距離有關(guān),當(dāng)潛艇與水底距離不發(fā)生變化的情況下,潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)分布不隨航行速度產(chǎn)生變化。利用此規(guī)律,可以減少實(shí)驗(yàn)計(jì)算組數(shù),節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

圖6　潛艇壓力系數(shù)分布圖

經(jīng)過(guò)對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的分析發(fā)現(xiàn),潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰值Pmin是潛艇水壓場(chǎng)重要特征參量,對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的識(shí)別具有至關(guān)重要的作用,而目前水下武器對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的探測(cè)方式也是以水壓場(chǎng)負(fù)壓分布為基礎(chǔ)的。因而本文將潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰值Pmin作為重要特征參量,以此為基礎(chǔ)考慮波浪場(chǎng)和水底渦壓力場(chǎng)對(duì)水下武器識(shí)別潛艇水壓場(chǎng)影響的大小。為此,表2分別列出了18組實(shí)驗(yàn)所得潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰值(Pmin)和負(fù)峰壓力系數(shù)(Cp-min=Pmin/(0.5ρv2))。

4潛艇水壓場(chǎng)判別新方法

目前,水下武器(水雷等)常用識(shí)別航行體水壓場(chǎng)的判別方式主要分為兩大類:基于幅度閾值的判別方法、基于負(fù)壓持續(xù)面積的判別方法。同時(shí),還會(huì)將水壓場(chǎng)的瞬時(shí)壓力值作為一個(gè)判斷因素。

表2　潛艇水壓場(chǎng)負(fù)峰值(Pmin)和壓力系數(shù)(Cp-min)

基于負(fù)壓持續(xù)面積的判別方法,是將航行體通過(guò)時(shí)負(fù)壓信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的持續(xù)面積作為判別條件。這種判別方法的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)Φ退俸叫畜w進(jìn)行判別,因?yàn)閷?duì)于低速航行體而言,雖然其水壓場(chǎng)負(fù)壓強(qiáng)度很小,但是其負(fù)壓持續(xù)時(shí)間相應(yīng)變長(zhǎng),就可以達(dá)到面積閾值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低速航行體的識(shí)別。但是,由于其基礎(chǔ)仍然是基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間,因此對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的航行體而言,仍然不能很好地進(jìn)行判別。

由于傳統(tǒng)識(shí)別方法基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間進(jìn)行判別,其對(duì)高速移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別存在困難。必須尋找一種對(duì)高速移動(dòng)目標(biāo)敏感的判定方法,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高速目標(biāo)的識(shí)別。本文提出一種基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間和航行體速度參量相結(jié)合的新的判別方法,能夠解決對(duì)高速目標(biāo)識(shí)別困難的問(wèn)題。

基于對(duì)潛艇水壓場(chǎng)的分析可知,潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓范圍大約持續(xù)1倍艇長(zhǎng)L,當(dāng)潛艇航行速度為V(V>Vmin,Vmin表示達(dá)到負(fù)壓幅度閾值的最小速度)時(shí),理論上潛艇通過(guò)時(shí)其負(fù)壓持續(xù)時(shí)間T:

(8)

其大體分布趨勢(shì)必然如圖7所示。對(duì)航行體水壓場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別時(shí),為了將負(fù)壓持續(xù)時(shí)間極短的干擾信號(hào)濾除,一般只有當(dāng)負(fù)壓持續(xù)時(shí)間超過(guò)一定值時(shí)T>Tmin,才能進(jìn)行判定。因此,當(dāng)航行體速度小于負(fù)壓閾值所對(duì)應(yīng)的最小速度時(shí),必然會(huì)導(dǎo)致不能識(shí)別到航行體的存在;當(dāng)航行體速度不斷增大時(shí),由于負(fù)壓縱向分布范圍的限制,必然會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓持續(xù)時(shí)間的減小,從而使水下武器難以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)識(shí)別。由于傳統(tǒng)的識(shí)別方法都是基于這種負(fù)壓持續(xù)時(shí)間而進(jìn)行識(shí)別判斷的,因此其從理論上就存在對(duì)于低速和高速兩種情況的缺陷。

圖7　負(fù)壓持續(xù)時(shí)間

鑒于以上情況,本文提出一種基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間和航行體速度的復(fù)合判定參量H:

(9)

新的判別方法將航行體速度作為一個(gè)判定要素,與負(fù)壓持續(xù)時(shí)間進(jìn)行組合,形成一個(gè)新的判別參量,新的判別參量的分布趨勢(shì)如圖8所示。判定參量H的整體分布由于考慮了航行體速度的影響,其整體分布情況與圖7所示的僅僅考慮負(fù)壓持續(xù)時(shí)間相比,對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)航行體而言,判別參量的數(shù)值會(huì)相應(yīng)的增大,從而能夠?qū)Ω咚俸叫畜w敏感。由式(9)可知,判別參量H存在一個(gè)極小值Hmin,此時(shí)對(duì)應(yīng)的速度極小值為

(10)

圖8　判別量H隨速度分布圖

只要將H的閾值設(shè)定超過(guò)Hmin,即可以對(duì)高速運(yùn)動(dòng)航行體進(jìn)行判定。此種方法能夠從理論上保證對(duì)高速航行體的識(shí)別,解決傳統(tǒng)的僅僅基于航行體負(fù)壓持續(xù)時(shí)間方法的缺陷。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用Fluent對(duì)潛艇水壓場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,通過(guò)建立潛艇計(jì)算模型,對(duì)三種航行深度情況下,每種深度情況下對(duì)應(yīng)六種速度情況,進(jìn)行了18組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:

1) 潛艇水壓場(chǎng)呈“馬鞍形”分布特征,負(fù)壓極值(負(fù)峰值Pmin)位于潛艇縱向中心下方,潛艇前后分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)正壓極值,但相比于負(fù)壓極值而言,強(qiáng)度更小;

2) 潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓縱向分布長(zhǎng)度大約為一倍艇長(zhǎng)L,潛艇水壓場(chǎng)負(fù)壓極值(負(fù)峰值Pmin)隨航行速度和航行深度變化顯著,與流場(chǎng)動(dòng)壓(基于航行速度計(jì)算)呈線性相關(guān)關(guān)系,是表征潛艇水壓場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)志性特征參量;

3) 潛艇水壓場(chǎng)壓力系數(shù)(基于潛艇航行速度而計(jì)算的水底壓力場(chǎng)壓力系數(shù))分布只隨潛艇與水底間距離變化而變化,當(dāng)距離不變時(shí),壓力系數(shù)分布不隨航行速度發(fā)生變化;

4) 提出一種基于負(fù)壓持續(xù)時(shí)間和航行體運(yùn)動(dòng)速度相結(jié)合的判定新方法,由于考慮了速度的影響,使得新的判別參量對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)能夠進(jìn)行有效判斷。

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《艦船電子工程》編輯部

中圖分類號(hào)U674

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.020

作者簡(jiǎn)介:馬振富,男,碩士,工程師,研究方向:流體力學(xué)和軍事海洋學(xué)。

*收稿日期:2015年8月1日,修回日期:2015年9月21日