第３９卷第６期 ２０１７年６月 舰船科学技术 ＶＯ１．３９．ＮＯ．６ ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｊｕｎ．．２０１７ 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） 摘 要：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。 关键词：潜艇；热尾流；温度 中图分类号：ＴＫ１２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７６１９（２０１７）０６—００５３—０４ ｄｏｉ：１Ｏ．３４０４ｄ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６１９．２Ｏ１７．０６．０１ ｌ 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 １ ３００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅｒｌＴｌａ１ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗａ。 ｔｅｒ ｃｈａｎｎｅ１．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 ｐａ— ｐｅｒ ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｈｏｔ ａｒｅａ ａｎｄ ｈｏｔ・ｃｏｏｌ ｍｉｘｅｄ ａｒｅａ，ｔｈｅｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｂｏｖｅ— ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ 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 ｖｅｒｉｉｅｄ ｂｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｆｕｒｅ ｉｅｌｄ ｆｐｉｃｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｍａｒｉｎｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 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＿ｌ。］。 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 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 散、后向散射等现象，激光探测受到影响［５１。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。 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［ １在水池中实验研究了螺旋桨推进 收稿日期：２０１６—０８—０７；修回日期：２０ｌ６—０９—０５ 基金项目：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（Ｙ４ＣＸｌＳＳ１４４）；中国科学院青年创新促进会资助项目 ｒ２０１５１７３） 作者简介：胡日查（１９８６一），男，助理研究员，从事多相流传热与流动等研究。 ．５４－ 舰船科学技术 第３９卷 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ｒｆ１在热尾流的理论计算 或仿真汁算领域，部分实验巾使片Ｉ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巾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１ｌ６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。 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 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 图２ ＰＴＩＯ０测温传感器布置方式 Ｆｉｇ．２ ＰＴ １ ００ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ 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１ ｌ０ 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１０．０ｍ×１．５ｍ× １．０ ｍ；热尾流稳定温度流发生装置由流体驱动泵、主 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，南 ７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 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 实时保存。 沿水池宽度方向共布置了３个截面测温传感器， 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 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。 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ｌ所示。 由 图１热尾流研究实验系统 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ 图３左截面８个传感器温度变化曲线 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ８ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｌｅｆｔ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ 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ｌ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ｌ组传感器（充分发展段截面１及截 潜艇模型航速为０．８２ ｍ／ｓ，驶过ｌ≠｝～８撑测温点只 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 第３９卷 胡日查， 等：自动力潜艇热尾流水面热特性的实验研究 ．５５． 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 包含从中问截面扩散去的热流，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 图４中截面８个传感器温度变化曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ８ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｍｉｄｄｌｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ 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。 图６冷热流浮升截面图 时］＇ｒ￣Ｊ／ｓ Ｆｉｇ．６ Ｂｕｏｙａｎｃｙ—ｌｉｆｔｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｏｌ ａｎｄ ｈｏｔ ｆｌｏｗ 图５右截面８个传感器温度变化曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ８ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｆｉｇｈｔ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ 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 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 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 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 区域几乎全部由高温亮色区域组成，随着尾流的进一 ５６ 舰船科学技术 第３９卷 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 南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，与周同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 图７潜艇热尾流演化示意图 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ 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，冈 此非常复杂。 参考文献： ［Ｉ］韩晶，赵朝方．海洋遥感技术在探测潜艇中的应用［Ｊ】．装备环 境工程，２００８，５（３）：６７—７０． ＨＡＮ Ｊｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｃｈａｏ—ｆａｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｃｅａｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，５（３）：６７—７０． 【２】 建华，赵浩淞．机载红外探潜系统综述【Ｊ】．激光与红外， ２０ １ ３，４３（０６）：５９９￣５０３． ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｕａ．ＺＨＡＯ Ｈａｏ—ｓｏｎｇ．Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ＆Ｉｎｆｒａｒｅｄ， ２０１３．４３（０６）：５９９－６０３． ［３］朱海荣，朱海，刘金涛，等．水下航行器光学隐蔽深度测量系 统［ＪＪ．光学精密工程，２０１５，２３（１Ｏ）：２７７８—２７８４． 图８潜艇尾流红外图片 Ｆｉｇ．８ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｋｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ＺＨＵ Ｈａｉ．ｒｏｎｇ，ＺＨＵ Ｈａｉ，ＬＩＵ Ｊｉｎ—ｔａｏ，ｅｔ ａ１．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ【Ｊ】． Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０ １ ５，２３（１ ０）：２７７８－２７８４． 步扩散亮色区域逐渐与暗色Ｉ 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。 【４】张士成，杨帧，杨 ，等．水下航行体自由表面波浪尾迹红外 特征及探测［Ｊ］．红外与激光工程，２０１２，４１（１Ｏ）：２６１ ５－２６２０． ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ—ｃｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｚｈｅｎ，ＹＡＮＧ Ｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｌａｒｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅ ｒｊｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｅ ｓｕｒｆｆ ｃｅ ｗａｖｅ ｗａｋｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ＆Ｉｎｆｒａｒｅｄ，２０ｌ２，４１（１０）：２６１５— ２６２０． 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 主要南温度相 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。此区域的热流主要南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 【５】崔国恒，于德新．非声探潜技术现状及其对抗措施【Ｊ］．火力与 指挥控制，２００７，３２（１２）：１０Ｌ＿１３． 【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，２００３，１ １（１）：４Ｏ＿＿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，陈翱，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）：ｌ０５４－１０５７． 【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，２０１ １，２５（５）：４５＿４８． 冷水发生的对流及热传导换热最少，因此热流区温度