郝果清，张 亮

（1.93656部队工程师，北京 101104；2.陆军工程大学军械士官学校，武汉 430075）

1 引言

潜艇在水下活动，以海水作掩护，侦察飞机、侦察卫星都难以发现它的行踪。但是，潜艇航行时发动机和螺旋桨发出的声音，庞大身躯对声波的反射，使潜艇很容易成为声纳捕捉的目标。不仅如此，潜艇的潜望镜必要时对水面进行观察，常规动力潜艇的通气管不时伸出水面吸进空气，虽是“蛛丝马迹”，也会使敌搜索雷达有可乘之机。

2 红外热像仪探测性能

红外热像仪是能够实现热像测温的精密仪器，是红外热像测温的核心设备。它利用实时的扫描热成像技术进行温度分析，具有结构简单、功能强大、测温快等特点。

由于红外热像仪属于窄带光谱辐射测温系统，使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度，不是直接测量得到的，而是以测到的辐射能计算出来的。因此，实际测量时，测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响。

3 水下热源温度场分布研究

3.1 水下热源特性与量化描述

水下热源的种类多种多样，但就军事方面而言，为突出重点，本文研究者将着重考虑研究水下核潜艇这一热源的可探测性。

任何核潜艇，无论大小种类，其动力系统原理都是通过核子反应炉产生的高温让蒸汽机中产生蒸气之后驱动蒸气涡轮机，来带动螺旋桨或者是发电机产生动力。假设核潜艇反应炉功率为：P

其在转化为动力或电力时，必然有能量损失，不妨设转化效率为：η

那么，核潜艇的热损失为：P损=(1-η)P

根据能量守恒和潜艇工作原理可知，这些热量将舱内水加热并排出潜艇，因此有：P损t=cmΔT

式中，t表示时间；c表示海水比热容；m表示加热水的质量；ΔT表示温度增量。实际上，潜艇对外排水是连续过程，故有：m=ρsvt

s表示排水口面积。两式联立，有：P损=cρsvΔT

上式表征了潜艇能量损失和排水速度、温度的关系，对后文的参数估算起到重要作用。

潜艇作为热源，还具有体积特点，这里为简化模型，将潜艇看做一个实体圆柱，表面温度与海水水温相当。潜艇深度为h（单位：米），在默认情况下，认为潜艇处于静止状态。

3.2 海水水文边界条件的确定

由上文可知，要解决可探测性问题，首先要求出热源在水中的温度场分布，而要求出热源在水中的温度场分布，核心就是解3.3节中的偏微分方程组，这里我们先给出其海水边界条件。根据相关水文资料可知，海水日变化温度很小，在水深350米左右为恒温层，每下降1000米，水温下降1到2度，对于潜艇而言，下潜深度一般为几百米，故可认为潜艇处在水温恒定的区域，我们将用太平洋年平均水温20度来作为海水的温度边界条件。

在太平洋中，深度小于300米的表层为风漂流层，海面的风应力与水平湍流应力的合力，与地转偏向力平衡后，及形成风漂流，潜艇一般都处于这一洋流中，其速度一般有几厘米每秒到几米每秒不等，在后文计算中，将详细考虑这一点。

3.3 海水表面温度场梯度分布

确定了海水速度和温度等边界条件，接着。下面使用FLUENT软件求解。这里将从潜艇下潜深度、洋流速度、移动速度等方面分别对其进行求解。在本节中，考虑热像仪探测性能和海洋环境、噪声等，为排除虚警，我们将热像仪的温度分辨率认为是0.2℃。

由于潜艇下潜深度一般为几百米，由上节可知，可认为潜艇处在恒温区域，我们用太平洋年平均水温20度来作为海水的温度边界条件；为简化计算模型，我们将潜艇抽象为一个长20米，半径2米的圆柱，圆柱的底端恒功率向外排热，以尼米兹核潜艇为例：

尼米兹级核潜艇功率为：

P=194兆瓦

一般核潜艇的能量利用率大概90%，故有：

得：

v=0.459m/s

即以每秒0.0459米的速度向外排出100度的热水。

我们首先研究40米深处静止潜艇，海水洋流速度0.1米每秒的条件下，边长为200米的立方体内海水的温度场分布。模型如下：

图1 gambit网格模型图

其中，白色圆柱为潜艇，红色网格为计算区域。

通过软件求解，得到潜艇从开始启动到达到稳态温度场分布图：

图2 潜艇周边海水热场分布图（侧面）

到达稳态时，海水表面的温度场分布为：

仿真发现，尼米兹级核潜艇在下潜40米时，如果时间够长，将在海面上形成一个圆环状温度梯度场，直径大约132米，与远处海水温差大概2度，已经足以达到可探测的标准。事实上，形成稳态的时间是非常长的，大约几十分钟到几个小时不等（与海水流速有关），这与实际不符。但研究稳态十分有必要，如果稳态时都无法探测，短时间内更不可能探测到。

图3 海水表面热场分布图