海面運(yùn)動(dòng)艦船湍流尾跡的數(shù)值仿真方法
【專利說明】海面運(yùn)動(dòng)艦船溫流尾跡的數(shù)值仿真方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于海洋遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及海面運(yùn)動(dòng)艦船端流尾跡的數(shù)值仿真 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 端流數(shù)值仿真目前是流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的前沿問題，傳統(tǒng)的端流仿真方法有直接數(shù) 值模擬方法、N-S方法和大滿模擬方法，運(yùn)些方法都是基于繁瑣的流體力學(xué)公式和復(fù)雜的差 分算法，計(jì)算量巨大，而且計(jì)算精度也有待驗(yàn)證。
[0003] 艦船尾跡的研究雖然可W追溯到十九世紀(jì)末期，艦船的水動(dòng)力學(xué)研究走過了一條 漫長(zhǎng)的道路，理論研究比較困難，近些年來，隨著合成孔徑雷達(dá)（SAR)的興起和發(fā)展，可W 采用星載或機(jī)載SAR圖像技術(shù)識(shí)別、探測(cè)和跟蹤海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，而艦船尾跡往往延伸數(shù)千 米，因此研究艦船尾跡的興趣越來越大。艦船端流尾跡的數(shù)值仿真是遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域迫切需 要解決的一個(gè)問題，而海浪的仿真已經(jīng)有一套方法，傳統(tǒng)的海浪起伏數(shù)值模擬是基于能量 平衡方程，對(duì)海譜進(jìn)行描述，有效地簡(jiǎn)化了海浪場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)，同時(shí)它對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng) 沒有苛刻的要求，可適用于較大的區(qū)域和長(zhǎng)時(shí)間尺度的計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速、高效、通用的海面運(yùn)動(dòng)艦船端流尾跡的數(shù)值仿 真方法。
[0005] 本發(fā)明提出的海面運(yùn)動(dòng)艦船端流尾跡的數(shù)值仿真方法，基于艦船端流尾跡寬度和 端流能量衰減譜的半經(jīng)驗(yàn)公式，采用經(jīng)典的雙線性疊加方法。具體模擬步驟是：一、艦船端 流寬度計(jì)算，由給定艦船參數(shù)(長(zhǎng)度、寬度、航速等)，根據(jù)端流尾跡寬度半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算尾 跡寬度；二、根據(jù)艦船長(zhǎng)度、寬度、航速、船型系數(shù)、船體阻力系數(shù)等參數(shù)計(jì)算艦船兩側(cè)的滿 流速度；Ξ、將海面剖分成網(wǎng)格，用基于艦船尾跡端流譜的雙線性疊加法計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)處的端 流起伏高度。
[0006] 本發(fā)明提出的海面運(yùn)動(dòng)艦船端流尾跡的數(shù)值仿真方法，具體步驟為： (1) 確定艦船的各項(xiàng)參數(shù)：艦船長(zhǎng)度、橫寬、航速、船型系數(shù)、船體阻力系數(shù)、滿核深度 等，建立運(yùn)動(dòng)艦船的幾何模型，并建立仿真計(jì)算的坐標(biāo)系統(tǒng)，將海面離散化，剖分成網(wǎng)格單 元； (2) 根據(jù)艦船參數(shù)和艦船端流尾跡寬度半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出該艦船特定速度下的尾跡 寬度公式； (3) 根據(jù)艦船尾跡端流譜的半經(jīng)驗(yàn)公式，分別計(jì)算船尾射流和船側(cè)滿流對(duì)的能量衰減 譜，采用雙線性疊加方法模擬端流尾跡。具體是將端流尾跡看作無限多個(gè)振幅、頻率、初相 位W及傳播方向均不相同的簡(jiǎn)單余弦波的疊加。
[0007] 下面對(duì)各步驟的具體細(xì)節(jié)分別介紹如下： (1)步驟（1)的具體過程： 設(shè)定艦船參數(shù)：長(zhǎng)度返，橫寬憑，航速隱； 建立兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系，其一是船頭坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船頭位置，覆'軸由船頭指 向船尾，炎軸與靜海面平行且垂直于船身，資軸垂直于靜海面；其二是船尾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原 點(diǎn)位于船尾，船尾坐標(biāo)系是船頭坐標(biāo)系在盈奪由方向水平平移一個(gè)船體長(zhǎng)度后的新坐標(biāo)系。 船頭坐標(biāo)系用來計(jì)算船側(cè)滿流對(duì)起伏高度，船尾坐標(biāo)系用來計(jì)算船尾射流的起伏高度； 將海面離散化，剖分成網(wǎng)格單元，設(shè)海面模擬尺寸為％捧％，剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)為幫^K脊,， 網(wǎng)格步長(zhǎng)的選取要考慮計(jì)算量。
[0008] (2)艦船端流尾跡寬度計(jì)算： 艦船端流尾跡寬度的半經(jīng)驗(yàn)公式
(1) 其中，參數(shù)Μ和幾由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)確定，一般化挖1?孩1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)距離船體4倍船長(zhǎng) 處的尾跡寬度大約為船寬的4倍：
因此，根據(jù)艦船尺寸就可W計(jì)算出皮，復(fù)的值，進(jìn)而得到尾跡寬度露巧勺計(jì)算公式。
[0009] (3)艦船端流尾跡能量衰減譜的計(jì)算和尾跡的仿真： 海浪模擬的雙線性疊加公式為
(6)
(7) 式中，透胃?虎海面起伏高度，、龜^分別為第η個(gè)余弦波的振幅、角頻 率、1：方向波數(shù)分量、^方向波數(shù)分量和初相位，^^^為nil]之間均勻分布的隨機(jī)變量，g為重力加速度。振幅滿足瑞利分布，由下式確定
(8) 式中，S(黎，寮)為端流能量衰減譜。
[0010] 船尾射流尾跡能量衰減譜的半經(jīng)驗(yàn)公式
(9) 式中鞍、l、il分別為艦船航行速度、艦船長(zhǎng)度和端流積分尺度。
[0011] 令初始速度場(chǎng)為均勻各向同性場(chǎng)，那么端流能譜
(10) 其中，是系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)確定，||為能量譜峰值對(duì)應(yīng)的波數(shù)。端流積分尺度
(11) 船側(cè)滿流對(duì)尾跡能量衰減譜的半經(jīng)驗(yàn)公式：
式中Ef與滿流速度相關(guān)，其它參數(shù)同上。
[001 引
（13) 式中是滿流對(duì)的側(cè)向速度，峰值約為船速的0.1倍，^是比例系數(shù)，取值!ffl。 [0013] 滿流對(duì)的表面水平速度場(chǎng)為
式中%為兩縱滿之間的距離，i為縱滿深度，13?是滿流在時(shí)間t的環(huán)流量。
式中的參數(shù)：Z為艦船長(zhǎng)度，巧J艦船航速，公為艦船橫寬，G為船型系數(shù)，/為船體阻 力系數(shù)。不同的艦船，其船型系數(shù)和船體阻力系數(shù)可查閱相關(guān)資料。
[0015] 合理選取相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算艦船端流尾跡的寬度公式和端流能量衰減譜公式是 仿真的關(guān)鍵；分別采用船尾坐標(biāo)系和船頭坐標(biāo)系仿真船尾射流尾跡和船側(cè)滿流對(duì)尾跡，線 性疊加兩種尾跡。
[0016] 本發(fā)明方法能快速高效地?cái)?shù)值模擬海面運(yùn)動(dòng)艦船的端流尾跡。該方法原理簡(jiǎn)單、 計(jì)算量小、容易實(shí)現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確地模擬出艦船端流尾跡的主要幾何特征，尤其是端流起伏高 度，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。
【附圖說明】
[0017] 圖1是雙坐標(biāo)系圖。
[0018] 圖2是艦船端流尾跡寬度示意圖。
[0019] 圖3是滿流對(duì)側(cè)向速度不意圖。
[0020] 圖4是滿流對(duì)水平速度場(chǎng)示意圖。
[0021] 圖5是艦船船尾射流尾跡Ξ維仿真示意圖。
[0022] 圖6是艦船滿流對(duì)尾跡Ξ維仿真示意圖。
[0023] 圖7是艦船端流尾跡Ξ維仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 仿真采用的艦船參數(shù)：艦船長(zhǎng)度密紀(jì)iSi米，艦船橫寬靈沾I藍(lán)顆米，艦船航行速度 顚黨:;f米/秒，船型系數(shù)媒按漏，船體阻力系數(shù)多泌擬藉。
[0025] 圖1為端流仿真計(jì)算的雙坐標(biāo)系圖，為了計(jì)算方便，船側(cè)滿流對(duì)尾跡的計(jì)算采用 船頭坐標(biāo)系胃，坐標(biāo)原點(diǎn)資位于船頭位置，軸由船頭指向船尾，麥軸與靜海面平行且垂直 于船身，這軸垂直于靜海面；船尾射流尾跡的計(jì)算采用船尾坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)泌位于船尾， 船尾坐標(biāo)系3'唉>1是船頭坐標(biāo)系在軸方向水平平移一個(gè)船體長(zhǎng)度后的新坐標(biāo)系。
[0026] 圖2是艦船端流尾跡寬度示意圖。根據(jù)公式（2) - (5)和艦船參數(shù)，推導(dǎo)出艦船 端流尾跡的半經(jīng)驗(yàn)公式為If/SS/、2,圖2表示船頭后1000米范圍內(nèi)尾跡的寬度的變化。 可見尾跡寬度在近場(chǎng)變化較大，隨著離開船的距離的增大，尾跡寬度增大趨于平緩，運(yùn)與實(shí) 際觀測(cè)到的艦船端流尾跡的寬度是吻合的。
[0027] 圖3是艦船滿流對(duì)尾跡側(cè)向速度示意圖。計(jì)算中