船舶尾流模拟及感应磁场分布特性

发布时间：2020-09-10 09:52

　　尾流的感应磁场作为船舶尾流重要物理特性之一在海洋探测、跟踪和反侦察中占有重要地位。论文基于麦克斯韦电磁理论方程组、磁流体动力学理论、海面波浪谱特性和船体的几何特征等理论基础,建立了尾流的波形和速度模型,并在此基础上考虑实际海洋环境和船体的几何尺寸等因素建立了尾流感应磁场模型,借助Matlab软件对船舶行驶过程中引起的开尔文尾流所产生的感应磁场进行仿真和分析,得到了尾流感应磁场的变化规律和分布特性,并设计了尾流感应磁场的仿真系统。论文主要研究内容如下所述。1、舰船尾流波形模型的建立。根据海浪谱特性和理论知识,针对不同海浪环境、船体的几何尺寸和航行速度通过理论计算和分析建立波形模型,结合计算机软件模拟了不同船体的水下几何结构,将尾流的特性与船体主尺度联系起来,分别对一维、二维和三维空间尾流波形的变化作了详细的分析和探讨,得到了尾流波形的分布和变化规律。2、舰船尾流速度和感应磁场模型的建立。文中选取海面谱为P-M谱,在尾流波形模型的基础上建立了速度和感应磁场模型,针对不同海况、不同船体尺寸、航行速度和海面风速等情况下尾流的速度和感应磁场的变化以及分布做了具体分析,得到了尾流感应磁场与船体几何尺寸、吃水深度和海面风速等之间的关系以及随着传播距离增加磁场的变化特性,给出了特定船型不同距离段的感应磁场大小,针对仿真结果分析了误差来源。在此基础上,仿真了单一船只的感应磁场随时间和船体运动的动态变化规律,并根据磁场叠加原理模拟了多船只通道共同行驶时产生的感应磁场,为尾流感应磁场仿真系统的设计和开发奠定了基础。3、设计船舶尾流感应磁场仿真系统。利用Matlab软件GUI窗口编程并结合Matlab MCR和Microsoft Visual Studio 2010编译器设计了船舶尾流感应磁场仿真系统,实现了仿真系统脱离Matlab环境运行,得到仿真系统的应用程序。该仿真系统不仅能够准确、直观、快速的模拟设定船型尾流在任意方向的磁感应强度的大小和变化规律,而且具有操作简便、节省成本的优势,为船舶尾流实验和探索海洋资源提供了更好的基础和有效的仿真平台。本文主要利用分布建模和计算机软件结合的方法对船舶尾流的波形、速度和感应磁场进行了研究和分析,给出了多种参数下的仿真结果和感应磁场的变化规律,并实现了分布建模的统一化,得到了尾流感应磁场的仿真系统软件,诸多方面的研究可为海洋目标的检测和识别提供基础性的支持。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：E925;P714
【部分图文】：

船舶,海水运动,地球磁场,行驶中

水质点离开自身平衡位置做周期性或准周期性的运动距离远、留存时间长和频率小等特性，其物理特性主要特性和电磁特性等，它们主要与海洋背景、船舶的几密切相关。流运动过程中引起的海水运动产生的感应磁场规律，海水中含有无机盐，船舶尾流运动切割磁感线产生感便于研究，对于行驶中的船舶，假设海洋平面是理想的如图 2.1 所示，取 z 方向为垂直方向，在空间直角坐标反方向运动，O 为船舶的初始位置，z=0 为海平面的坐下假定为常数），磁倾角 I 是地磁场与该位置地球表面北极之间的夹角。故坐标中任意位置的地球磁场可表(coscoscossinsin)EEIiIjIk B B －z

示意图,开尔文,运动体,尾流

西安工业大学硕士学位论文sθ+ysinθ)是自由表面波的相位函数，k 表示与 x 轴 θ 方向传播的表 λ = 2π/k = 2πU2cos2θ/g，Ω(θ)表示的是船体的特征参数（是一个复根据流体力学和船体相关理论[42-43]可将 Ω(θ)表示为: eeddkk jkcos2sec(,)()）中 η(ξ, ζ)表示偏移位置 ξ 和吃水深度 ζ 的船型函数与船舶的几何Half divergence angle19.5°

波形,船速,波形,波高

15(c) v=15m/s (d) v=20m/s图 2.7 不同船速下尾流波形分布根据图 2.7 仿真了同一船型的航行速度对尾流波高大小、波形分布以及波长的影响，对不同船速下尾流的波形分布进行分析可得到：尾流的波高、波长变化和传播速度都与船体航行速度的大小有关。当船体的航行速度逐渐增大时，产生的尾流的速度也在逐渐增加，相应的尾流的波高和振幅逐渐变大，对应的波长逐渐增长，二维空间得到的波高特性与一维情况下波高随传播距离变化的规律吻合。

【参考文献】