水下航行器尾迹时空演化特性及其表面温度特征形成机制研究

研究人员针对水下航行器尾迹检测能力提升的需求，采用数值模拟与模型实验相结合的方法，系统研究了尾迹表面温度特征和水下速度特征的时空演化规律。研究发现尾迹表面温度呈带状分布，与环境水温差维持在0.2°C以内；揭示了冷皮层（cold skin layer）状态是影响尾迹表面温度特征的关键因素；通过k-ω SST分离涡模型和VOF两相流理论，阐明了涡结构扩散与尾迹速度特征的关联机制。该研究为水下目标探测提供了新的理论依据和技术支撑。

　　

在浩瀚海洋中，水下航行器的踪迹往往难以捉摸，但其运动产生的尾迹却如同"水下指纹"般蕴含着丰富信息。长期以来，如何通过尾迹特征实现水下目标的高效探测，一直是海洋工程领域的重要课题。传统研究多聚焦于尾迹速度场分析，而对尾迹表面温度特征的形成机制认识不足，特别是忽略了自然环境中普遍存在的冷皮层（cold skin layer）这一关键因素。更棘手的是，现有数值模拟方法在湍流模型选择、网格划分策略等方面存在明显差异，导致尾迹特征的计算精度受限；而实验研究又往往受限于水箱环境与自然环境的差异，难以真实反映冷皮层的影响。

针对这些挑战，海军工程大学振动与噪声研究所的研究团队开展了一项创新性研究，成果发表在《Applied Surface Science Advances》。该研究通过建立k-ω SST分离涡模型结合VOF两相流理论的数值计算方法，并设计室外水池和室内水槽两组对照实验，系统揭示了水下航行器尾迹特征的时空演化规律。关键技术包括：基于重叠网格的绝对运动模拟、冷皮层状态的精细化网格划分、红外热像仪表面温度测量以及PIV（粒子图像测速）水下速度场测量。

在"数值模拟计算"部分，研究建立了包含连续方程、动量方程和能量方程的流体控制方程组，通过k-ω SST分离涡模型成功模拟了尾迹涡结构的演化过程。结果显示尾迹表面温度特征呈带状分布，最大温差不超过0.2°C，且特征宽度可达航行器直径的3倍。特别值得注意的是，当忽略冷皮层条件时，计算完全无法获得尾迹表面温度特征，这证实了冷皮层状态是形成温度特征的决定性因素。

"室外池测量实验"部分验证了数值模拟的可靠性。通过搭建水下钢索拖曳系统，研究人员在自然环境中成功测量到尾迹表面温度特征。实验发现温度特征呈现点扩散模式，且存在明显的时间滞后效应——航行器通过特定位置后，需要一定时间涡结构才能到达水面并扰动冷皮层。数据表明，在0.5D-2.0D深度范围内，温度特征对深度变化更为敏感，当深度增至2D时特征宽度骤减。

"室内水槽测量实验"则通过PIV技术精细测量了尾迹水下速度场。结果显示涡结构脱离航行器表面后，会以一定速度水平传播并伴随旋转扩散，形成明显的速度特征区。值得注意的是，在室内环境中由于缺乏自然冷皮层，红外测量未能检测到任何表面温度特征，这进一步佐证了冷皮层效应的关键作用。

在"误差分析"部分，研究对比了16组不同工况下的模拟与实验结果。结果显示尾迹表面温度特征的计算误差总体控制在15%以内，而水下速度特征的误差更是不超过3%，验证了数值模型的可靠性。但也发现当航行深度较大（2.0D）时，模型对小尺度涡结构的解析能力不足，导致误差增至33.3%。

这项研究的重要意义在于：首次明确了冷皮层状态是尾迹表面温度特征形成的决定性因素，突破了传统研究将温度特征简单归因于热排放的认知局限；建立了包含冷皮层效应的尾迹特征数值模型，为水下目标探测提供了新的理论工具；通过室外自然环境和室内受控实验的对比，揭示了环境因素对尾迹特征的关键影响。这些发现不仅深化了对水下航行器尾迹演化机制的理解，也为发展新型探测技术奠定了重要基础。未来研究可进一步探索全尺寸航行器的尺度效应，以及冷皮层厚度变化对尾迹特征的影响规律。