由浅水浸没的翼型运动引起的自由表面波特性

《Ocean & Coastal Management》：Free surface wave characteristics induced by shallowly submerged hydrofoil motion

耦合升沉俯仰振荡的有限体积法-体积_of_fluid方法表面波特性研究及多塔普尔谱分析|

　　本研究围绕水下运动物体引发的表面波现象展开，特别关注了水下翼型在耦合上下运动与俯仰运动下的表面波特性。通过对这些波形进行数值模拟和频谱分析，研究者旨在揭示自由流速度、振荡频率和俯仰角度对表面波高度、波长以及整体结构的影响，从而为水下目标的雷达探测提供理论依据。在水下探测领域，表面波被视为重要的物理特征，特别是在雷达遥感中，这些波形能够反映目标的运动状态，进而用于识别和定位。

水下运动物体的表面波研究是流体力学中的经典问题。以往的实验和理论工作主要集中在自由表面如何影响物体的水动力特性，以及物体运动所引发的表面扰动。近年来，随着技术的进步，研究者还发现，水下目标的运动轨迹可以为雷达成像提供关键的物理特征。例如，潜艇的尾迹可以被分为伯努利波包、凯尔文尾迹、内部尾迹和湍流尾迹，这些尾迹形态在不同的运动条件下呈现出显著的差异。其中，伯努利波包是潜艇运动过程中在自由表面形成的一种独特现象，其波高与潜艇的速度密切相关。因此，对这些波形的深入研究不仅有助于理解水下目标的运动特性，也为远程探测技术提供了重要的理论支持。

在水下目标的运动中，由于水流、波浪以及控制系统的周期性振荡，其实际运动速度往往具有非稳态特征。这种非稳态运动通常表现为轨迹的周期性变化，例如潜艇在航行过程中可能会经历上下运动和俯仰运动的耦合。在这些运动中，自由表面的波动特征是关键的物理信号，能够用于识别和分析水下目标的运动状态。因此，研究水下翼型在耦合上下与俯仰运动下的表面波特性，对于理解水下目标的非稳态运动模式具有重要意义。

水下翼型是一种常见的简化模型，用于研究水下运动物体的流体动力学特性。以往的研究表明，水下翼型在上下运动时可以产生向前传播的表面波，这种现象不同于传统的尾迹波，因为这些波可以提前到达观测点，从而实现早期检测。因此，研究水下翼型在上下与俯仰耦合运动下的表面波特性，不仅有助于揭示其运动模式对波形的影响，也为水下目标的远程探测提供了新的思路。

本研究采用有限体积法（FVM）结合体积分数法（VOF）进行数值模拟，以分析水下翼型在耦合运动下的表面波特性。为了提高计算精度，研究还引入了重叠网格技术（overset grids），以解决因物体运动导致的网格变形问题。重叠网格技术能够有效保持自由表面的分辨率，从而确保计算结果的准确性。在模拟过程中，研究者对不同自由流速度、振荡频率和俯仰角度下的表面波进行了对比分析，发现这些参数对波高、波长以及波形结构具有显著影响。

在数值模拟过程中，研究者首先对自由流速度、振荡频率和俯仰角度的影响进行了系统研究。随后，通过对表面波的传播特性进行区域划分，分析了不同区域内的波形变化。这些区域划分有助于理解表面波在不同位置的分布规律，从而揭示其在自由表面的传播特征。最后，研究者采用多带谱分析法（multitaper method）对表面波的波数-频率谱进行了计算，以进一步分析自由流速度和振荡频率对波形组成的影响。通过这一方法，研究者发现不同组合的自由流速度和振荡频率可以生成不同的波形成分，这些成分在自由表面的分布具有显著的空间差异。

本研究的数值结果表明，自由流速度和振荡频率对表面波的高度和波长具有重要影响。随着自由流速度的增加，表面波的高度和波长也相应发生变化，而振荡频率的调整则会改变波形的结构和组成。此外，俯仰角度的幅值对波高也有显著影响，其影响程度随着俯仰角度的增大而增强。这些结果为水下目标的表面波分析提供了重要的理论依据，同时也为雷达探测技术的应用提供了新的视角。

在研究过程中，研究者还对不同参数组合下的表面波进行了对比分析。例如，在自由流速度和振荡频率变化的情况下，表面波的高度和波长呈现出不同的变化趋势。这些变化趋势表明，表面波的形成不仅受到物体运动模式的影响，还受到流体环境的制约。因此，研究水下翼型在不同条件下的表面波特性，有助于揭示其在复杂流体环境中的行为规律，为水下目标的识别和定位提供更加全面的信息。

本研究采用的数值方法在模拟过程中保持了较高的计算精度。通过对比实验数据，研究者验证了所采用的数值方法的有效性。此外，研究者还对表面波的传播特性进行了区域划分，分析了不同区域内的波形变化。这一方法不仅有助于理解表面波在自由表面的分布规律，也为进一步研究提供了理论基础。通过这一研究，可以为水下目标的表面波分析提供更加系统的理论支持，同时也能为雷达探测技术的应用提供更加精确的计算依据。

在水下目标的表面波研究中，波数-频率谱分析是一种重要的工具。通过对波数-频率谱的计算，研究者能够揭示自由流速度和振荡频率对波形组成的影响。此外，波数-频率谱还能反映表面波在不同位置的分布特征，从而为理解波形的空间变化提供依据。因此，本研究采用多带谱分析法对表面波的波数-频率谱进行了计算，以进一步分析自由流速度和振荡频率对波形的影响。

通过本研究的分析，可以得出以下结论：首先，自由流速度和振荡频率对表面波的高度和波长具有显著影响，而俯仰角度的幅值则主要影响波高。其次，波数-频率谱能够揭示自由流速度和振荡频率对波形组成的影响，不同组合的自由流速度和振荡频率可以生成不同的波形成分。最后，耦合上下与俯仰运动的水下翼型在自由表面的波形变化具有显著的空间差异，这一现象对于水下目标的识别和定位具有重要意义。

综上所述，本研究通过数值模拟和频谱分析，系统地揭示了水下翼型在耦合上下与俯仰运动下的表面波特性。研究结果表明，自由流速度、振荡频率和俯仰角度对表面波的高度、波长以及整体结构具有重要影响。这些影响不仅体现在波形的变化上，还反映了水下目标的运动模式与流体环境之间的相互作用。因此，本研究为水下目标的表面波分析提供了重要的理论依据，同时也为雷达探测技术的应用提供了新的思路和方法。