开题报告
- 前言
选题：水下热排气流动传热特性的数值研究
水下潜艇航行过程中不可避免的要出现尾流。尾流区海水有许多物理效应与周围非尾流区海水不同。从尾流所具有的不同物理效应,可将尾流分为声尾流(具有特定声学效应)、热尾流(具有一定的温度分布规律)、气泡尾流(舰船航行时在尾后产生的一条很长的气泡尾流带)等。潜艇在通气管航行状态下会通过柴油机发电机组进行充电，此时柴油机排出的高温废气会由潜艇排气口排入海水中，使得尾流中充满了大量气泡。另外，螺旋桨旋转引起的空化以及空气卷吸、波浪破碎等都会在尾流产生大量气泡。目前,世界各国应用较多的是利用主动声探测尾流内部气泡并进行武器制导[[1]]。由于潜艇消声消磁技术的发展，光学探测反潜技术成为探测水下目标的热门手段，如利用红外热成像探测潜艇尾流，利用尾迹气泡进行光学探测，利用激光雷达探测潜艇船体，利用水动力学尾迹进行位置识别等。美国大众科技网站在2012年1月报道利用水面尾迹现象可探测水下1000ft(1ft=0.3048m)的水下航行目标，且探测手段受水质的影响小[[2]]。
二、正文
- 研究目的
对于水下热排气流动传热特性的选题，可以结合传热学、流体力学、水动力学等专业知识，在具有垂直温度梯度的海水面中建立基于动网格技术的潜艇水下航行的二维计算模型，利用流体计算软件Fluent对潜艇排放的流动-传热过程进行数值模拟。对潜艇水下排放的气泡尾流的形成形状及其分布进一步进行深化研究，并研究尾流中单个气泡与周围海水的传质传热，以及多个气泡之间的传质传热特性[[3]]。最主要是对排放的气泡尾流的上升过程特性进行研究与模拟，来获得水下热排气的流动传热特性。
- 研究内容
对于水下潜艇气泡尾流的上升过程研究主要是观察排气时所形成的气液两相流动及气泡形成、上浮和破碎的整个物理过程。哈尔滨工程大学张文平等人[[4]]对柴油机水下排气进行实验模拟，在实验水池中安装了摄像机对三种不同流速下的三个不同的管口中形成的气液流动状态进行照片拍摄。照片中显示了柴油机 水下排气所形成的气液两相流从管口到水面的流动状态可明显地分成气泡形成 、自由气泡、气泡云及水面喷涌四个区域。海军工程大学雷渡民等人[[5]]对潜艇的航行建立了水下运动体气泡热尾流的连续方程、动量方程和热平衡方程,获得了气泡热尾流的浮升规律和扩展规律。刘开慧等人[[6]]在研究中除了对其建立方程外，还采用了气液两相流混合模型和k-ε紊流模型，利用有限体积数值计算方法，对水下排气的速度场和温度场进行了研究。陈圣涛等人[[7]]基于N-S方程，并结合两相流的相关模型，数值模拟了双桨实船气泡尾流。通过海水中气体含量的变化情况，分析了尾流气泡产生、增大、破碎和消失等过程。哈尔滨工业大学的来庆志等人[[8]]基于动网格技术，建立潜艇水下航行三维计算模型，分别采用壁面法与VOF法对潜艇热尾流浮升过程进行仿真。研究获得了潜艇热尾流的浮升、扩散规律及其水面温度分布与红外识别特征。华东理工大学李光等人[[9]]对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟，模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响，液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型。
本研究主要是从潜艇尾流的流动和传热特性出发，结合潜艇和附近相关流域的实际情况，以FLUENT为平台，建立海面背景下的潜艇尾流场计算模型，并用VOF法对潜艇气泡尾流浮升进行模拟，结合传热模型，对不同航行状态下潜艇的流场、温度场进行分析，进而分析阐述气液耦合作用下潜艇后部尾流场形成与发展的影响因素。其主要内容有以下几点：
（1）潜艇尾流场气液耦合计算模型的建立：
考虑到潜艇尾流在形成与发展时，存在排出的冷却水和高温废气与海水之间的物质交换、能量交换、动量交换等，总结归纳传热学基本守恒方程；考虑到潜艇排开水的体积效应以及螺旋桨转动引起的剧烈扰动，使得流场中存在湍流脉动[[10]]，物理量随时间、空间变化，归纳总结FLUENT湍流计算模型[[11]]；考虑到在计算过程中同时存在气液两相作用，因此需要考虑多相流动；基于相群平衡模型中的气泡聚并与破碎模型，给出潜艇气泡尾流的计算方法[[12]][[13]]。最后，对潜艇尾流场影响因素进行归纳分析，建立潜艇尾流场气液耦合计算模型。
