海面運動艦船湍流尾跡的數(shù)值仿真方法
【專利說明】海面運動艦船溫流尾跡的數(shù)值仿真方法 發(fā)明領域
[0001] 本發(fā)明屬于海洋遙感監(jiān)測技術領域，具體設及海面運動艦船端流尾跡的數(shù)值仿真 方法。
【背景技術】
[0002] 端流數(shù)值仿真目前是流體動力學領域的前沿問題，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，運些方法都是基于繁瑣的流體力學公式和復雜的差 分算法，計算量巨大，而且計算精度也有待驗證。
[0003] 艦船尾跡的研究雖然可W追溯到十九世紀末期，艦船的水動力學研究走過了一條 漫長的道路，理論研究比較困難，近些年來，隨著合成孔徑雷達（SAR)的興起和發(fā)展，可W 采用星載或機載SAR圖像技術識別、探測和跟蹤海面運動目標，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)測領域迫切需 要解決的一個問題，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，對海譜進行描述，有效地簡化了海浪場的動力學，同時它對時間步長和空間步長 沒有苛刻的要求，可適用于較大的區(qū)域和長時間尺度的計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速、高效、通用的海面運動艦船端流尾跡的數(shù)值仿 真方法。
[0005] 本發(fā)明提出的海面運動艦船端流尾跡的數(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 流寬度計算，由給定艦船參數(shù)(長度、寬度、航速等)，根據(jù)端流尾跡寬度半經(jīng)驗公式計算尾 跡寬度；二、根據(jù)艦船長度、寬度、航速、船型系數(shù)、船體阻力系數(shù)等參數(shù)計算艦船兩側的滿 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算網(wǎng)格點處的端 流起伏高度。
[0006] 本發(fā)明提出的海面運動艦船端流尾跡的數(shù)值仿真方法，具體步驟為： (1) 確定艦船的各項參數(shù)：艦船長度、橫寬、航速、船型系數(shù)、船體阻力系數(shù)、滿核深度 等，建立運動艦船的幾何模型，并建立仿真計算的坐標系統(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)驗公式，計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)驗公式，分別計算船尾射流和船側滿流對的能量衰減 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振幅、頻率、初相 位W及傳播方向均不相同的簡單余弦波的疊加。
[0007] 下面對各步驟的具體細節(jié)分別介紹如下： (1)步驟（1)的具體過程： 設定艦船參數(shù)：長度返，橫寬憑，航速隱； 建立兩個空間直角坐標系，其一是船頭坐標系，坐標原點位于船頭位置，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；其二是船尾坐標系，坐標原 點位于船尾，船尾坐標系是船頭坐標系在盈奪由方向水平平移一個船體長度后的新坐標系。 船頭坐標系用來計算船側滿流對起伏高度，船尾坐標系用來計算船尾射流的起伏高度； 將海面離散化，剖分成網(wǎng)格單元，設海面模擬尺寸為％捧％，剖分節(jié)點數(shù)為幫^K脊,， 網(wǎng)格步長的選取要考慮計算量。
[0008] (2)艦船端流尾跡寬度計算： 艦船端流尾跡寬度的半經(jīng)驗公式
(1) 其中，參數(shù)Μ和幾由實驗測量數(shù)據(jù)確定，一般化挖1?孩1。實驗發(fā)現(xiàn)距離船體4倍船長 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計算出皮，復的值，進而得到尾跡寬度露巧勺計算公式。
[0009] (3)艦船端流尾跡能量衰減譜的計算和尾跡的仿真： 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)驗公式
(9) 式中鞍、l、il分別為艦船航行速度、艦船長度和端流積分尺度。
[0011] 令初始速度場為均勻各向同性場，那么端流能譜
(10) 其中，是系數(shù)，根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)確定，||為能量譜峰值對應的波數(shù)。端流積分尺度
(11) 船側滿流對尾跡能量衰減譜的半經(jīng)驗公式：
式中Ef與滿流速度相關，其它參數(shù)同上。
[001 引
（13) 式中是滿流對的側向速度，峰值約為船速的0.1倍，^是比例系數(shù)，取值!ffl。 [0013] 滿流對的表面水平速度場為
式中%為兩縱滿之間的距離，i為縱滿深度，13?是滿流在時間t的環(huán)流量。
式中的參數(shù)：Z為艦船長度，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)可查閱相關資料。
[0015] 合理選取相關參數(shù)，準確計算艦船端流尾跡的寬度公式和端流能量衰減譜公式是 仿真的關鍵；分別采用船尾坐標系和船頭坐標系仿真船尾射流尾跡和船側滿流對尾跡，線 性疊加兩種尾跡。
[0016] 本發(fā)明方法能快速高效地數(shù)值模擬海面運動艦船的端流尾跡。該方法原理簡單、 計算量小、容易實現(xiàn)，能夠準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，與實測結果吻合較好。
【附圖說明】
[0017] 圖1是雙坐標系圖。
[0018] 圖2是艦船端流尾跡寬度示意圖。
[0019] 圖3是滿流對側向速度不意圖。
[0020] 圖4是滿流對水平速度場示意圖。
[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。
【具體實施方式】
[0024] 仿真采用的艦船參數(shù)：艦船長度密紀iSi米，艦船橫寬靈沾I藍顆米，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為端流仿真計算的雙坐標系圖，為了計算方便，船側滿流對尾跡的計算采用 船頭坐標系胃，坐標原點資位于船頭位置，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；船尾射流尾跡的計算采用船尾坐標系，坐標原點泌位于船尾， 船尾坐標系3'唉>1是船頭坐標系在軸方向水平平移一個船體長度后的新坐標系。
[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)，推導出艦船 端流尾跡的半經(jīng)驗公式為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，運與實 際觀測到的艦船端流尾跡的寬度是吻合的。
[0027] 圖3是艦船滿流對尾跡側向速度示意圖。計算中