文 献 综 述
研究背景及意义
众所周知，潜艇是一种国家级的重要装备。自第一次世界大战以来，潜艇得到广泛运用，担任许多大国海军的重要位置，其功能包括攻击敌人军舰或潜艇、近岸保护、突破封锁、侦察和掩饰特种部队行动等。潜艇也被用于非军事用途，如海洋科学研究、抢救财物、勘探开采、科学侦测、维护设备、搜索援救、海底电缆维修、水下旅游观光、学术调查等。
近年来，围绕海洋权益的争端不断升级，我国逐渐认识到提升海洋防御力、海上作战能力和维护海洋权益的重要性。水下航行体(如潜艇)隐蔽性能好、突击能力强的特点使其具有强大的军事震慑力，它可以潜藏在近海和浅海中对敌方军事设施以及港口建筑实施鱼雷导弹攻击[1]。随着各个国家潜艇的研究逐渐深入，其隐蔽性高、机动灵活性强、抗电子干扰特性突出、自给力和续航力大等优点日益突出，也成为了海上战争的重点打击对象，所以各国在大力发展潜艇隐身技术的同时也着重发展各种探潜技术。
目前潜艇探测手段主要分为基于声呐探测和基于其他目标特性的非声探测[2]，但随着潜艇技术不断更新换代，减振降噪技术和隐形材料的发展，基于声呐的探测在潜艇运用了如自然循环压水反应堆、低噪声推进器、浮筏减振等技术以后，探测能力将大幅度下降;而基于其他目标特性的非声探测主要利用卫星或者反潜飞机上的探测雷达采用实时成像的方式探测水下的运动体在水面上发生的微小尺度变化，以及基于红外技术的红外探测器，这种探测技术具有大范围和全天候的优点，且不受潜艇“静音”技术的影响。随着新一代探测器灵敏度提高以及探测系统自身抗干扰能力增强，这种探测方式日益成熟，并成为研究的主流。
潜艇的红外特征主要由潜艇所影响的海面兴波和潜艇热特征在海面形成的热痕迹所决定。潜艇在海水中运动时易形成的尾流主要有以下几种形式:一是在温度分层的海水中，由于尾流中船壳及螺旋桨形成的旋涡将下面的冷水翻滚至上面，使得同一水平层上尾流中的温度与周围海水温度不同而形成的冷尾迹；二是潜艇特别是核潜艇为了冷却核动力装置，总是要放出大量的温热海水，这部分温度较高的海水由于温度差获得了向上的浮力，形成了潜艇经过处海面的一股热尾流；三是潜艇在前进过程中船头船尾破碎的海浪和螺旋桨搅动的海水以及柴油机充电时放出的高温废气生成的气泡尾流。
其中热废水排放形成的热尾流是水面热尾迹形成的重要因素之一。潜艇在冷却动力装置时释放的热尾流会受到其废水的排放量、排放温度，海水的温度分层和盐度分层等诸多影响。而海水的盐度分层会导致热尾流因为海水盐度的不同上升速度受到影响，甚至会使热尾流在上下层水体盐度的交界点发生聚集现象。故研究盐度分层水体对热尾流浮升特性的影响是对研究热尾迹的形成机理具有重要意义。
国内外研究现状
当潜艇在运动时，无论处于通气管航行状态还是水下航行的状态，甚至潜艇本身回转浮动的运动特征对水体的扰动都有可能会在自由面和内界面上激发一系列可被侦查的尾迹。
早在上世纪五六十年代，国内外研究学者己经在热尾流研究方面开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟等研究工作，研究内容主要包括尾流产生机理、浮升规律和扰动因素的影响特性等[3]。Schooley 和 Stewart(1963) 首次观测了轴对称自航体在分层流中激发的尾流的坍塌产生内波的现象[4]，最先开始利用自力推进模型在密度分层环境中开展尾流方面的实验研究。随后各国学者针对被拖动细长体和螺旋桨推进细长体分别在分层、非分层流体中开展大量关于尾流速度、密度、温度和几何分布规律的实验研究。在1972年G.E.Merritt[5]等人开始了对潜艇热尾流温度分布特性，的研究，他们利用热敏电阻对模拟的潜艇无动量尾流进行了探测，并分析了温度分层对热尾流的影响。研究表明，潜艇尾流在分层和均匀水域中具有明显的差异。Bonnier和Eiff[6]等采用热膜技术与DPIV技术对盐度线性分层海水内，尾流浮升过程中速度的衰减、变化规律进行了测量研究，研究发现，由于浮升力的作用，在浮升过渡段，尾流的平均动能及轴向速度均会增大，尾流会出现崩溃现象; Gebhart[7]将潜艇热尾流考虑为浮升动力射流，对潜艇动力装置排放的冷却水在相度及速度场的特征参数。
在国内，科研人员针对真实海况中存在海水分层、海风、太阳辐照等复杂环境影响的情况，在实验室内设计相关实验，对复杂海况影响进行了分析。张健[8]等人分别在温度均匀及线性分层海水中对匀速运动的水下航行目标的热尾流温度分布特性进行了实验研究，研究表明，冷却水出口的水温、目标航行产生的尾涡和海水温度分层均会对热尾流温度分布产生影响。吴猛猛[9]等人对温度梯度、太阳辐射和水面波浪等因素对热尾流水面热特征的影响进行了实验研究，研究表明环境因素对潜艇尾流会产生重要影响。杨立、初明忠[10]等人使用分层流水槽进行潜艇激发内波的实验得到了尾流内波在时间和空间上的分布规律，发现了线性分层中的内波信号在 Nt =40 时还可以检测到。
尾流浮升扩散是一个极为复杂的过程，单纯依靠实验研究成本高、周期长，且易受测量方法及仪器精度的限制。随着现代计算机技术的发展，数值方法以其低成本、高效率的优势，而越来越成为一种重要的科研手段。目前国内外学者，利用数值方法，在潜艇热尾流浮升规律及表面温度场红外识别方面己经做了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。中国船舶科学研究中心的洪方文[11] 通过求解三维非定常不可压缩 RANS 方程，模拟了潜艇在均匀流中运动时自由表面上产生的波浪尾迹，计算得到水面兴波的波幅与波长同经验公式计算结果相一致。Meunier[12]等人建立了在水平方向涡粘性假设的基础上的模型，对尾迹高度、宽度和速度缺陷进行分析测定发现当环境是非均匀时，即使加速度很小，波阻力也会非常明显。Wessel[13]，Hirt[14]以及David[15]等人采用直接模拟法(DNS)方法对分层及均匀流体中潜艇尾流进行了仿真研究研究表明，水体温度分层不仅会抑制热尾流在垂直方向上的震荡，同时还会导致水体内部产生内波现象。上海交通大学的傅慧萍[16-18]对于舰船气泡尾流进行了大量的研究工作，主要采用多相流模型对 KCS 船模型进行了数值模拟，结合相群平衡模型，获得了舰船尾流中气泡数密度和体积分率等气泡分布特征。
