水下縮比航行體熱尾流的紅外探測實(shí)驗(yàn)*

楊衛(wèi)平，張志龍，李吉成

(國防科技大學(xué) 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙　410073)

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水下縮比航行體熱尾流的紅外探測實(shí)驗(yàn)*

楊衛(wèi)平，張志龍，李吉成

(國防科技大學(xué) 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙410073)

根據(jù)縮比模型，建立縮比紅外成像實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，對(duì)水下航行體的體積、航行深度、運(yùn)動(dòng)速度、尾流排放等進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)工況，可實(shí)現(xiàn)縮比目標(biāo)模型紅外尾流的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試。一方面明確紅外尾流的可探測性，另一方面掌握紅外尾流可探測性的影響因素以及紅外尾流的變化規(guī)律，為下一步工作奠定基礎(chǔ)。縮比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用區(qū)域灰度均值和均方差的起伏變化可有效探測水下航行體水面尾跡。

縮比模型；航行體；相似性；靜態(tài)測試；動(dòng)態(tài)測試

水下航行體探測在軍民用領(lǐng)域均具有重要的地位。為了有效發(fā)現(xiàn)水下航行體，研究其探測手段和方法具有重要的軍事意義。目前,水下航行體的探測技術(shù)除了傳統(tǒng)的聲吶探測外,還有多種非聲探測技術(shù)[1-15]，如激光雷達(dá)探測、磁探測以及熱紅外探測等技術(shù),但各種探測技術(shù)都有其各自的局限性和適用場合。紅外探測以其探測范圍大、晝夜工作、被動(dòng)探測、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛關(guān)注[11-15]。然而，由于海洋自身的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)條件的限制等，直接對(duì)實(shí)際目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究不僅成本高、各方面影響因素較多，而且實(shí)施起來相當(dāng)困難。為了摸索航行體目標(biāo)尾流探測的可行性，往往要先在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用縮比模型開展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)探測邊界條件、尾流形成的影響因素以及實(shí)現(xiàn)可探測的成像規(guī)律等，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，為了探索尾流紅外探測的可行性，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了紅外尾流探測縮比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，便于開展紅外尾跡探索研究。

1　相似性原理

在流體力學(xué)中，構(gòu)成力學(xué)相似的兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)指實(shí)際的流動(dòng)現(xiàn)象，稱為原型；另一個(gè)指在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行重演的流動(dòng)現(xiàn)象，稱為模型。所謂力學(xué)相似，是指兩個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)中相應(yīng)點(diǎn)處的各種物理量構(gòu)成各自的固定比例關(guān)系。對(duì)于一般的流體運(yùn)動(dòng)，力學(xué)相似要求滿足：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似等。

當(dāng)模型的邊界形狀和原型的邊界形狀相似時(shí)，稱為幾何相似。設(shè)Ly為原型特征長度，Lm為模型特征長度，稱δL(δL=Ly/Lm=常數(shù))為模型比尺。一般情況下，模型比尺越小越能反映原型的流動(dòng)情況。但是，在現(xiàn)實(shí)中往往由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，模型比尺不能做得太小。

當(dāng)兩個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡呈幾何相似，或原型與模型流動(dòng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的速度和加速度的大小維持各自固定的比例關(guān)系且方向相同時(shí)，稱為運(yùn)動(dòng)相似。當(dāng)兩個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象達(dá)成運(yùn)動(dòng)相似時(shí)，他們之間相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡也呈幾何相似，并且通過相應(yīng)線段的時(shí)間也呈固定的比例，即時(shí)間比尺δt=ty/tm=常數(shù)，這時(shí)速率比尺δV=Vy/Vm=δL/δt=常數(shù)。

牛頓相似定律是判定兩個(gè)流動(dòng)動(dòng)力相似的一般規(guī)律。牛頓相似定律中的外力F是作用于流體的所有外力之和。在本文考慮的問題中，兩個(gè)相似水流中起主要作用的是重力。因此，在模型實(shí)驗(yàn)中，只要使起主要作用的重力滿足相似條件，就能夠基本反映出流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種只考慮重力的動(dòng)力相似條件稱為重力相似準(zhǔn)則。

對(duì)于幾何相似的流場，還需要溫度場相似和熱流量相似，即要求對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度成比例，并且在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上通過其相互對(duì)應(yīng)的微元上的熱流量方向相同、大小成比例。如用θ表示溫度，用q表示熱流量，則有δθ=θy/θm=常數(shù)，而δq=qy/qm=常數(shù)。在密度分層流體的情況，對(duì)于幾何相似的流場，同時(shí)還需要密度場相似，即要求對(duì)應(yīng)點(diǎn)的密度成比例，如用ρ表示背景密度，則有δρ=ρy/ρm=常數(shù)。

2　縮比目標(biāo)熱尾流的紅外探測實(shí)驗(yàn)

2.1模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)相似性原理，對(duì)航行體的縮比模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了如圖1所示的航行體尾流探測縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而可以有針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)研究。一方面探索尾流可探測的影響因素，另一方面探索縮比模型下尾流的可探測性，為實(shí)際尾流的可探測性研究奠定方法基礎(chǔ)。

圖1　水下航行體紅外尾流探測縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1　Infrared imaging experimental test system based on scale model for under-water vehicle wake detection

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下要素構(gòu)成：

1)密度分層風(fēng)生波水槽：用來模擬航行體目標(biāo)排熱過程。

2)加熱水箱：用來模擬目標(biāo)排熱過程。

3)L型射流管：用來模擬排熱過程。

4)目標(biāo)模型：按照縮比模型制作的標(biāo)準(zhǔn)航行體模型。

5)紅外熱像儀：用來探測熱尾流在水面上的紅外特征。

6)溫度計(jì)：用來測量空氣溫度和水體溫度。

7)濕度計(jì)：用來測量空氣濕度。

2.2模型實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)水槽水深深度有限，為了模擬航行體航行深度，選取1 ∶200的幾何相似比。在該幾何相似比下，假設(shè)實(shí)驗(yàn)水深h=0.2 m，則相當(dāng)于實(shí)際水深為40 m。

由于熱射流主要為浮升運(yùn)動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)水槽底部對(duì)熱射流浮升的影響可以忽略。

在弗勞德數(shù)相似的條件下，如果熱浮升主要是浮力的作用，則動(dòng)力學(xué)相似意味著模型與原型的弗勞德數(shù)一致。

(1)

密度弗勞德數(shù)一致可以表示為：

(2)

其中：ρa(bǔ)為周圍水的密度，Δρ為密度差。

溫度弗勞德數(shù)一致可以表示為：

(3)

其中：Ta為周圍水的密度，ΔT為密度差。

按照上述相似性可以得到相似關(guān)系為：

以某航行體的相關(guān)參數(shù)為參照，按照1 ∶100的比例尺對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)Lr=200，則速度比Vr=14.1，時(shí)間比Tr=14.1，流量比Qr=565 685。表1是按照相似比為200時(shí)某航行體和模型的主要參數(shù)對(duì)比情況。

表1　相似比200時(shí)實(shí)艇參數(shù)與模型參數(shù)

2.3模型實(shí)驗(yàn)的工況設(shè)計(jì)

在不考慮密度躍層的條件下，主要研究目標(biāo)的水面紅外特征，并分析其在不同工作狀態(tài)下紅外探測的可行性。為此，設(shè)計(jì)了如下5個(gè)工況：

1)工況1：固定深度30 cm，固定流量(按照相似比設(shè)計(jì)，參見表1中的數(shù)據(jù)，取射流管直徑2.5 mm)，改變射流溫度差(ΔT從10 ℃至65 ℃)，研究紅外尾跡的可探測性。

2)工況2：固定深度30 cm，固定射流溫差(按照典型目標(biāo)實(shí)際情況設(shè)計(jì)，即冷卻水與海水的溫差ΔT=30 ℃)，改變流量(按相似比設(shè)計(jì)，參考表1，通過改變射流管直徑來達(dá)到改變流量的目的，設(shè)計(jì)了若干種不同管徑的L型射流管)，探索不同流量下紅外尾跡的可探測性。

3)工況3：按照典型目標(biāo)實(shí)際情況設(shè)定固定的射流溫差(如ΔT取30 ℃)、固定的流量(如射流管徑取2.5 mm)，改變航行深度(如H取30 cm，35 cm等)，探索不同航行深度下航行體紅外尾跡的可探測性。

4)工況4：固定航行深度30 cm，固定射流溫差(ΔT取為30 ℃)，固定流量(縮比模型射流管徑為2.5 mm)，帶縮比模型(按照相似比設(shè)計(jì)，參見表1)，改變拖曳速度，探索不同航速下航行體紅外尾跡的可探測性。

5)工況5：按照典型目標(biāo)實(shí)際情況，設(shè)定固定的溫度差(ΔT=30 ℃)和流量(縮比模型射流管徑2.5 mm，出水速度1.41 m/s)，固定拖曳速度，改變航行深度(如H=20 cm，H=30 cm等)，探索不同深度航行體紅外尾跡的可探測性。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在相似性原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)施過程中面臨著諸多困難和需要解決的問題，如航行體的設(shè)計(jì)、射流流量和流速的控制、尾流浮升規(guī)律的建立、尾流浮升路徑的探測、水面尾跡的探測等。為此在相似模型設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了可實(shí)現(xiàn)性和可操作性，在不影響實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的情況下，對(duì)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，通過加熱水箱及其高度、L型射流管及其管徑實(shí)現(xiàn)了射流流量和流速的控制。通過拖曳結(jié)構(gòu)和典型航行體的縮比實(shí)現(xiàn)航行體的運(yùn)動(dòng)控制。通過在加熱水箱中加入顏料實(shí)現(xiàn)尾流浮升路徑的探測以及水體溫度陣列測量的部署。通過對(duì)紅外熱像儀獲取的紅外圖像的現(xiàn)場實(shí)時(shí)增強(qiáng)便于對(duì)水面尾跡的觀察和探測等，從而使得縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得以順利展開。

根據(jù)上述構(gòu)建的系統(tǒng)和模型參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室密度水槽中對(duì)5種工況設(shè)計(jì)了各種不同航深、熱射流溫度、出流時(shí)間、航速等100多個(gè)組合工況，對(duì)熱射流浮升過程中軌跡特性、面溫度變化特性、表面紅外特征等問題，開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試?？梢钥闯?，這5種工況主要考慮了兩種情況：第一種是密度均勻流體中靜止熱射流水面紅外特征；第二種是密度均勻流體中拖曳熱射流水面紅外特征。

為了判斷是否有尾流出現(xiàn)，可根據(jù)紅外圖像區(qū)域灰度值和區(qū)域灰度均方差隨時(shí)間的變化來判斷。當(dāng)區(qū)域灰度均值起伏(絕對(duì)灰度差)大于10或者區(qū)域灰度均方差起伏大于1.5時(shí)，可以認(rèn)為尾流出現(xiàn)，水面出現(xiàn)紅外尾跡特征，且絕對(duì)差(起伏)越大，尾跡越明顯。

通過實(shí)驗(yàn)測試表明，無論是靜止熱射流測試還是拖曳運(yùn)動(dòng)熱射流測試，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下均取得了比較好的實(shí)驗(yàn)效果。在設(shè)定的溫差、流量、航深、航速下水面均有較明顯的紅外尾跡特征，也就是說，在這種特定縮比模型下紅外尾跡是可探測的。表2、表3分別給出了密度均勻流體中靜止熱射流水面紅外特征實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果和密度均勻流體中拖曳熱射流水面紅外特征實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。表2中的數(shù)據(jù)含義同表3，均表示絕對(duì)灰度差/灰度均方差起伏值。可以看出，在表中所列實(shí)驗(yàn)工況下，由于區(qū)域灰度絕對(duì)差大于10或者區(qū)域灰度均方差起伏大于1.5，使得水面紅外尾跡可探測。

表2　密度均勻流體中靜止熱射流浮升特性實(shí)驗(yàn)測試

表3　密度均勻流體中拖曳熱射流浮升特性實(shí)驗(yàn)測試

(a) 中波紅外圖像(14 s后)(a) Mid-wave infrared image (14 seconds later)

(b) 中波紅外圖像(35 s后)(b) Mid-wave infrared image ( 35 seconds later)

(c) 中波紅外圖像目標(biāo)區(qū)域灰度均值隨時(shí)間的變化(c) Time varying curve of target regional gray mean in mid-wave infrared image

(d) 中波紅外圖像目標(biāo)區(qū)域灰度均方差隨時(shí)間的變化(d) Time varying curve of target regional gray mean deviation in mid-wave infrared image圖2　靜止熱射流實(shí)驗(yàn)測試典型實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)Fig.2　Typical experimental image data of static jet trial

圖2為靜止熱射流實(shí)驗(yàn)測試典型實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)，圖2(a)為尾流出現(xiàn)14 s后的中波紅外圖像，圖2(b)為尾流出現(xiàn)35s后的中波紅外圖像，可以看出，相比圖2(a)，圖2(b)的尾跡有所放大，圖中曲線所指示的區(qū)域即為水面紅外特征出現(xiàn)和發(fā)生變化的區(qū)域。圖2(c)、圖2(d)為中波紅外圖像目標(biāo)區(qū)域灰度均值與均方差隨時(shí)間的變化曲線，由圖中可以看出，當(dāng)尾跡出現(xiàn)時(shí)，區(qū)域灰度均值和區(qū)域灰度均方差均出現(xiàn)了較大的起伏。圖3則給出了動(dòng)態(tài)拖曳熱射流實(shí)驗(yàn)測試典型實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)，圖3(a)和圖3(b)給出了間隔39 s的中波紅外圖像(由于對(duì)比度較小，圖像清晰度不高，展示效果欠佳)，矩形標(biāo)示區(qū)域圖像發(fā)生的變化情況可由圖3(c)和圖3(d)給出的中波紅外圖像目標(biāo)區(qū)域灰度均值與均方差隨時(shí)間變化的曲線體現(xiàn)?？梢钥闯?，區(qū)域的均值持續(xù)增加，而區(qū)域的均方差則發(fā)生了起伏變化，表明水面出現(xiàn)了紅外尾跡。

此外，本縮比實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的構(gòu)建，還可以為尾流浮升特性及規(guī)律等研究提供條件。在相應(yīng)工況設(shè)計(jì)下，也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)探索研究，限于篇幅，對(duì)此將不再討論。

(a) 9 s后中波紅外圖像及興趣區(qū)放大圖(a) Mid-wave infrared image after 9 seconds

(b) 39 s后中波紅外圖像(b) Mid-wave infrared image after 39 seconds

(c) 中波紅外圖像區(qū)域灰度均值的變化曲線(c) Time varying curve of target regional gray mean in mid-wave infrared image

(d) 中波紅外圖像區(qū)域灰度均方差的變化曲線(d) Time varying curve of target regional gray mean deviation in mid-wave infrared image圖3　拖曳熱射流實(shí)驗(yàn)測試典型實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)Fig.3　Typical experimental image data of towing jet trial

為了確定紅外成像灰度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)所用的紅外熱像儀進(jìn)行了一系列的黑體標(biāo)定，圖4給出了一組未考慮機(jī)芯溫度時(shí)中波紅外熱像儀的定標(biāo)曲線(其中積分時(shí)間設(shè)定為8 ms，寬視場)。由圖4可知，溫差1 ℃大致相當(dāng)于100個(gè)灰度等級(jí)，也就是說，10個(gè)灰度等級(jí)相當(dāng)于0.1 ℃左右。但考慮到各方面的因素，確定判定準(zhǔn)則為灰度起伏超過10個(gè)灰度級(jí)或者灰度均方差變化超過1.5，對(duì)應(yīng)區(qū)域溫度差0.15 ℃。隨后采用測溫儀和紅外熱像儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了灰度等級(jí)與溫度之間的換算關(guān)系。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[11]中理論分析的結(jié)果。相應(yīng)的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了縮比模型試驗(yàn)的正確性。限于篇幅，這里僅給出了縮比模型下紅外尾跡可探測性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析。

圖4　未考慮機(jī)芯溫度時(shí)中波紅外熱像儀的定標(biāo)曲線Fig.4　Calibrated curve of mid-wave infrared imager without considering camera temperature

4　結(jié)論

在相似性原理的基礎(chǔ)上，為了系統(tǒng)地研究目標(biāo)尾跡浮升特性及水面紅外特征，建立了縮比紅外成像實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了靜止熱射流和拖曳熱射流兩種情況下的五類工況，在實(shí)驗(yàn)室水槽環(huán)境下利用縮比模型對(duì)目標(biāo)紅外尾跡的可探測性進(jìn)行了比較全面深入的探索研究，發(fā)現(xiàn)了縮比目標(biāo)尾跡水面的紅外可探測性。當(dāng)區(qū)域灰度均值起伏超過10或者灰度均方差變化超過1.5以上(對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度差大于0.15 ℃左右)時(shí)，目標(biāo)紅外尾跡可探測，為進(jìn)一步開展目標(biāo)尾跡紅外可探測性研究積累了經(jīng)驗(yàn)。然而，由于環(huán)境溫度、水槽中水體溫度、空氣濕度以及紅外熱像儀的工作狀態(tài)等因素對(duì)紅外尾跡的可探測性有較大影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍需深化，加之實(shí)際海洋環(huán)境情況更加復(fù)雜，對(duì)水下航行體紅外尾跡可探測性研究仍有很長的路要走。

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Experimental test system design for thermal wakes of submerged vehicle based on scale model

YANG Weiping， ZHANG Zhilong， LI Jicheng

(National Key Laboratory of Automatic Target Recognition, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

According to similarity principles, an infrared imaging experimental test system based on scale model was set up, such work conditions as scale model based vehicle volume, submerged depth, movement, wake discharging, and etc, were designed so that the static and dynamic thermal wake detection tests of scaled vehicle were realized. The detectability of submerged vehicle thermal wakes on one side was determined, and the influencing factors at thermal wakes detection and changing rules of the wakes were found, which lays a foundation for future work. Scale model experimental tests show that the thermal wakes from submerged vehicle can be effectively detected out via the substantial changes of regional gray mean and gray mean variation.

scale model; submerged vehicle; similarity; static test; dynamic test

10.11887/j.cn.201604017http://journal.nudt.edu.cn

2015-04-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61101185)；部委探索基金資助項(xiàng)目(7131222)

楊衛(wèi)平(1968—)，男，陜西西安人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：wpyang@126.com

TP391

A

1001-2486(2016)04-107-06