周徐斌 馬 捷

上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實驗室，上海 200240

0 引 言

水下熱滑翔機(jī)是一種高效環(huán)保、浮力驅(qū)動、低噪聲的自主式水下運(yùn)載器，可以廣泛用于海洋科學(xué)考察以及軍事領(lǐng)域，目前，國內(nèi)外已有多個單位和研究機(jī)構(gòu)正在開展相關(guān)研究［1-3］。

水下熱滑翔機(jī)的工作環(huán)境為海洋溫躍層，所設(shè)計的滑翔機(jī)的實際性能需要通過環(huán)境實驗進(jìn)行檢驗。但如果在海洋或具有相似溫度梯度的湖泊中進(jìn)行，必然要花費(fèi)較大的成本和較長的時間，非常不便。此外，海試或湖試的風(fēng)險也很大，尤其在水下熱滑翔機(jī)的初級研究階段，面對復(fù)雜的水下自然環(huán)境，一旦發(fā)生問題或者試驗未成功，滑翔機(jī)就有可能損毀，從而造成巨大損失。再者，海試或湖試的試驗重復(fù)性差，水下環(huán)境隨洋流和季節(jié)不斷變化，難以保證實驗環(huán)境的一致性。

基于以上考慮，為能創(chuàng)造優(yōu)良、便捷的水下熱滑翔機(jī)實物模型的實驗條件，本文提出在室內(nèi)建立海洋溫躍層模擬水池，并基于相似理論對水池的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，如縮尺比、水池的主尺度、溫度梯度場和動力相似數(shù)等。我國對海洋工程試驗水池的研究已較為成熟，如文獻(xiàn)［4-6］對海洋工程模擬水池的設(shè)計進(jìn)行了研究，都具有高精度的模擬效果。但針對用于溫躍層中溫差能的水下潛器試驗的室內(nèi)海洋溫躍層模擬水池的研究卻較少。本文將基于經(jīng)典傳熱理論和水下熱滑翔機(jī)的工作原理，推導(dǎo)建立相似溫度場的條件，并采用線性溫度傳感器對水池的溫度梯度進(jìn)行實證。

為預(yù)先驗證水池對海洋溫躍層環(huán)境模擬的有效性，還將對水池模型進(jìn)行數(shù)值計算?；贑FD軟件的數(shù)值水池模擬技術(shù)已較為成熟，如文獻(xiàn)［7-9］均討論了數(shù)值水池的有效性，高精度的數(shù)值水池的預(yù)測誤差可小于3%。本文將利用基于STREAM軟件的數(shù)值水池，對所設(shè)計水池的模擬效果進(jìn)行計算。

本文關(guān)于海洋溫躍層模擬水池的研究對其它利用海洋熱能進(jìn)行工作的水下潛器和潛艇試驗池的設(shè)計也具有一定的參考價值。

1 水池參數(shù)設(shè)計

本文所討論的海洋溫躍層的溫度梯度為0.2℃/m，最大水深為14 m，而在此海洋環(huán)境中工作的各種熱滑翔機(jī)的主尺度中，最大長度為2 m，最大寬度為1.5 m，最大直徑為0.2 m，其外形如圖1所示。所討論的海洋溫躍層模擬體系包括海洋溫躍層模擬水池，以及具有相應(yīng)縮尺比的滑翔機(jī)縮尺模型。

圖1 水下熱滑翔機(jī)示意圖Fig.1 Sketch of an underwater thermal glider

本文研究的待試水下熱滑翔機(jī)外殼（圖1）的主尺寸分別為：總長1.5 m，最大直徑0.2 m。該外殼由3部分組成：首部為一個長軸0.2 m、短軸0.1 m的半橢球體；尾部為紡錘體外殼從拐點(diǎn)（即最大半徑0.1 m處）至尾端點(diǎn)的部分；中間段為將新的首部和尾部連接起來的直徑為0.2 m的圓柱體。

流體力學(xué)中的相似理論是指導(dǎo)本文進(jìn)行海洋溫躍層模擬體系參數(shù)設(shè)計的基本理論，模型與實體的兩個體系需要滿足3個相似條件。

1）幾何相似

實體和模型滿足幾何相似條件時，兩者所有相應(yīng)的線性尺度之比為常數(shù)。設(shè)L′和L″分別代表實體和模型的尺寸（m），則可定義縮尺比λL如下所示：

設(shè)實體和模型對應(yīng)的面積（m2）分別為A′和A″，則滿足式（2）：

設(shè)實體與模型的體積（m3）分別為和則應(yīng)滿足式（3）：

2）運(yùn)動相似

幾何相似和時間相似組成運(yùn)動相似。設(shè)在實體與模型的兩個運(yùn)動體系中所對應(yīng)的時間（s）分別為t′和t″。引入時間相似常數(shù) λt，運(yùn)動相似條件需滿足式（1）（幾何形似）與式（4）（時間相似）：

設(shè)實體與模型體系中的速度（m/s）分別為U′和U″，并引入速度相似數(shù) λU，聯(lián)立式（1）和式（4）可推導(dǎo)得：

3）動力相似

作用于模型與實體的各種力互成比例，這些力包括重力、慣性力和粘性力等。

在討論動力相似問題時，首先需找出體系中的主要作用力，然后再將慣性力與該主要作用力之比作為相應(yīng)的動力相似準(zhǔn)則數(shù)。

如果重力是主要的作用力，則意味著體系中其他力相對重力而言較小，此時，采用傅汝德數(shù)相似，設(shè)傅汝德數(shù)為Fr，則Fr可表示為：

設(shè)實體與模型的傅汝德數(shù)分別為Fr′和Fr″，對于傅汝德數(shù)相似則要求滿足下式：

如果粘滯力是主要作用力，則意味著體系中的其他力相對粘滯力而言較小，此時，采用雷諾數(shù)相似，設(shè)雷諾數(shù)為Re，則Re可由下式表示為：

設(shè)實體與模型的雷諾數(shù)分別為Re′和 Re″，對于雷諾數(shù)相似，則要求滿足式（9）：

1.1 模型縮尺比及水池寬度和深度

選定一個合適的縮尺比λL是建立海洋溫躍層模擬水池的首要問題。

1.1.1 模型大小

模型大小是考慮模型縮尺比的首要因素。模型過小會給模型制作帶來麻煩，而且也會使試驗測量數(shù)據(jù)的相對誤差增大，而模型過大則會使水池受到水池池壁效應(yīng)的影響，使正常的試驗結(jié)果受到干擾。

為保持滑翔機(jī)模型的幾何相似性，便于相似模型的加工，需要著重考慮滑翔機(jī)的機(jī)翼尺寸問題。實體機(jī)翼型號為NACA23010，其平面參數(shù)如下：機(jī)翼的前緣后掠角為40°，后緣后掠角為30°，翼展1.5 m，展弦比7.14，根部弦長0.2 m，根梢比2.9。因此，機(jī)翼梢部的尺寸最小，其弦長70 mm，最大厚度7 mm。為了使機(jī)翼的加工具有一定的精度，需使翼梢最大厚度不小于1 mm，則由此可知，實體與模型之間的縮尺比不得大于7∶1，如式（10）所示：

1.1.2 水池阻塞效應(yīng)的影響

水下熱滑翔機(jī)模型在海洋溫躍層模擬水池中運(yùn)動時，由于其所處的水體是一個具有一定深度、寬度和長度的狹長的長方體，而非實際溫躍層的無限寬廣的水域，因此，受到池壁和池底的影響，會使周圍水流相對模型的平均流速加快，使得模型周圍流場不同于無邊界水域中的流場，即為阻塞效應(yīng)［10］。

當(dāng)水池的橫截面積為水下熱滑翔機(jī)模型最大橫截面積的75倍時，阻塞效應(yīng)將會得到良好的控制，其對水下熱滑翔機(jī)模型的水動力參數(shù)所造成的誤差將在5%以內(nèi)［11］。

1.1.3 淺水效應(yīng)的影響

淺水效應(yīng)指由于有限深度池底的存在，使得興起的波系與在真正的相當(dāng)于無限水深海域興起的波系不同，進(jìn)而造成興波阻力的試驗誤差。

由于水下熱滑翔機(jī)是潛于水下低速航行，所以產(chǎn)生的興波阻力非常小，理論上，水深大于模型的長度即可使淺水效應(yīng)得到有效抑制，使誤差小于1%。

1.1.4 側(cè)壁效應(yīng)的影響

側(cè)壁效應(yīng)是指由于距離模型有限寬度的側(cè)壁的存在，與實際上相當(dāng)于無限寬度的水域相差較大，從而使得所形成的反射波系對水動力產(chǎn)生影響而造成誤差。

理論上，當(dāng)水池的寬度大于模型寬度16倍以上時，側(cè)壁效應(yīng)的影響即可被抑制在0.5%以內(nèi)。

綜上所述，則由式（10）～式（14）構(gòu)成海洋溫躍層模擬水池設(shè)計幾何參數(shù)的約束方程。這是一個多變量的非線性規(guī)劃問題，其求解會有一定的困難。

考慮到縮尺比越大，便能使海洋溫躍層模擬水池所能模擬的深度越大，故將縮尺比定為7。同時代入縮尺比，消去約束方程的非線性項，使得約束方程的線性化如式（15）～式（17）所示。

再考慮到建設(shè)水池的室內(nèi)場所的限制，如式（18）～式（19）所示：

則可行域如圖2中黑色陰影部分所示。

圖2 水池尺寸可行域示意圖Fig.2 Schematic of feasible area for the dimensions of pool

在可行域內(nèi)選取點(diǎn)（1.3，2）即可滿足約束條件，水池寬1.3 m，高2 m。

1.2 溫度場的相似

由于水池的溫度場對水下熱滑翔機(jī)的運(yùn)動具有關(guān)鍵的影響，因此，海洋溫躍層模擬水池還需滿足溫度場的相似性。

首先，分析海洋溫躍層模擬水池的溫度場分布，如圖3所示。海洋溫躍層模擬水池的上層熱水和下層冷水進(jìn)行熱傳導(dǎo)形成具有一定溫度梯度的溫度場，上、下層水流相對流速幾乎為零，這一熱交換過程可視為兩個恒溫面之間無內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程。

圖3 水池溫度場示意圖Fig.3 Sketch of temperature field in the pool

求解如式（20）所示的微分方程可得：

由式（21），可得水池的溫度分布為線性分布關(guān)系，令海洋溫躍層實體的溫度為T′（℃），水池模型的溫度為T″（℃），實體與模型的溫度梯度相似比為λδT：

其次，根據(jù)水下熱滑翔機(jī)的熱工作原理來推導(dǎo)，以使水下熱滑翔機(jī)達(dá)到溫度場相似所需滿足的條件。

水下熱滑翔機(jī)依靠具有一定表面積的儲能管中的感溫工質(zhì)來吸收溫躍層中的溫差能。儲能管表面的材料導(dǎo)熱系數(shù)非常高，通常為金屬，如鋁合金等。儲能管表面與溫躍層中的海水直接接觸，以對流換熱的形式吸收海水中的熱量，并將之傳遞給儲能管內(nèi)的感溫工質(zhì)。感溫工質(zhì)通常為如正十六烷之類的相變材料。感溫工質(zhì)在獲得熱量后發(fā)生相變膨脹或收縮，造成水下熱滑翔機(jī)內(nèi)壓的變化，然后再通過動力裝置的閥門和管路系統(tǒng)控制水下熱滑翔機(jī)外置皮囊的體積變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)水下熱滑翔機(jī)浮力的目的，進(jìn)而實現(xiàn)滑翔機(jī)的沉浮運(yùn)動。

水下熱滑翔機(jī)在熱水層與冷水層之間進(jìn)行鋸齒形運(yùn)動。水下熱滑翔機(jī)在冷水層達(dá)到最大潛深，且儲能管及感溫工質(zhì)的溫度也降低為最小值，該值與冷水層的水溫一致。隨后便開始上升，在上升過程中隨著水溫的升高吸收熱能，獲取海水的溫差能。同時感溫工質(zhì)發(fā)生固液相變，最后到達(dá)潛深的最小點(diǎn)，即熱水層處，儲能管與感溫工質(zhì)的溫度與熱水層的溫度相等，感溫工質(zhì)完全發(fā)生液化，如此周而復(fù)始。感溫工質(zhì)具體的微觀相變過程比較復(fù)雜，不是本文考慮的重點(diǎn)，本文將從宏觀上來研究儲能管表面與感溫工質(zhì)的熱守恒關(guān)系，推導(dǎo)出溫度場相似的條件。

由于儲能管表面完全包裹感溫工質(zhì)且無內(nèi)熱源，根據(jù)能量守恒定律，感溫工質(zhì)接受的熱流率與儲能管表面所傳遞的熱流率相同。而只要保證實體與模型的儲能管表面的熱流率一致，就能保證儲能管內(nèi)感溫工質(zhì)的相變過程一致，從而保證滑翔機(jī)的熱機(jī)工作情況相似，實現(xiàn)溫度場相似。

基于以上分析可以得出，水下熱滑翔機(jī)的性能與溫度場相似的耦合點(diǎn)為儲能管表面的熱流率。

本文以儲能管表面的熱流率作為決定水下熱滑翔機(jī)所工作的海洋溫躍層的溫度場相似條件。設(shè)實體與模型的儲能管的熱流率為q′和q″，單位為W/m2，其中q為水下熱滑翔機(jī)在運(yùn)動時，在垂直高度上與海水發(fā)生熱交換的熱流率，只要滿足式（23），即可滿足溫度場的相似性：

由于實體水下熱滑翔機(jī)是以一定巡航速度在海洋溫躍層中運(yùn)動，水下熱滑翔機(jī)儲能管主要通過與海水進(jìn)行對流換熱來傳遞熱量，因此，本文主要考慮對流換熱對儲能管表面熱流率的影響。設(shè)實體和模型相變體與溫躍層接觸的表面積（m2）分別為和，由式（2）可得：

設(shè)儲能管表面與溫躍層海水之間的對流傳熱系數(shù)為Cph。由于水下滑翔機(jī)的航行速度較低，為0.5 m/s，而儲能管為導(dǎo)熱系數(shù)極高的金屬材料，能與周圍海水充分發(fā)生換熱，故本文假設(shè)滑翔機(jī)通過儲能管使相變材料某一刻的溫度總與前一時刻所經(jīng)過水層的溫度相同。

根據(jù)傳熱定律，將儲能管表面與海水之間的換熱關(guān)系推導(dǎo)如下。

根據(jù)表面對流換熱定律，可得h0+Δh處的換熱量ΔQ的方程式：

由式（25）可得：

聯(lián)立式（23）～式（25），考慮到海洋溫躍層模擬水池所用的水及相變材料都與實體一樣，可以保持與Cph一致，所以可得：

由式（27）可知，海洋溫躍層水池的溫度梯度是實際溫躍層縮尺比的平方倍。

真實海洋溫躍層的溫度梯度為0.2℃/m，由溫度梯度的定義及式（27）可得：

為了實現(xiàn)該溫度梯度，設(shè)δT″為海洋溫躍層模擬水池的溫差，由式（21）可得：

考慮到實際工程實現(xiàn)的需要，可以選用一臺水冷機(jī)來實現(xiàn)上述溫差關(guān)系。本文將熱水溫度設(shè)為29.6℃，將冷水溫度設(shè)為10℃。

1.3 模型速度

水下熱滑翔機(jī)在海洋溫躍層中運(yùn)行時自身并不攜帶推進(jìn)裝置，而是通過吸收溫差能來改變可變體積的大小，通過浮力的變化以及機(jī)翼的作用，在重力的作用下實現(xiàn)鋸齒形的航行軌跡。此外，根據(jù)浮力原理，可知重力對水下熱滑翔機(jī)的運(yùn)動具有最主要的影響，因此，在考慮滑翔機(jī)的動力相似時，選用傅汝德數(shù)相似做相似準(zhǔn)則數(shù)［12］。

由式（7）可以進(jìn)一步推得：

幾何相似比 λL的值為7，速度相似比 λU的值為0.38，這意味著模型的速度為實體水下熱滑翔機(jī)速度的0.38倍。

設(shè)實體與模型的速度相似比為λU，且根據(jù)g′=g″，由式（25）可得：

1.4 水池的長度設(shè)計

海洋溫躍層模擬水池?zé)o法實現(xiàn)完全幾何相似，因為寬廣的海洋溫躍層實際上相對于滑翔機(jī)而言（深度除外）尺寸是無限大，因此，大多數(shù)的海洋工程水池都采用變態(tài)相似設(shè)計。

變態(tài)相似也稱為差似，就是不采用相同的尺度進(jìn)行放大和縮小，如水工模型中，對寬淺型河道模型在水平和垂直方向采用不同的幾何相似比等。在本文的研究中，水池的寬度和長度也是變態(tài)相似的，但通過合理的設(shè)計，排除了第1.1節(jié)所討論的阻塞效應(yīng)等造成的不良影響。在長度方向上，由于其不涉及第1.1節(jié)的尺度效應(yīng)影響，因此，一方面主要考慮來流和尾流的充分發(fā)展，另一方面，根據(jù)水下熱滑翔機(jī)模型的速度大小，設(shè)計足夠的長度以使模型試驗具有充足的時間。

根據(jù)文獻(xiàn)［13-14］對水下航行體的模型試驗研究，為了使相對水下航行體運(yùn)動水流的來流與尾流能夠充分發(fā)展，有效模擬水下航行體與水流之間的相互作用，需使水下航行體艏部前端至少有1倍艇長的距離，而使水下航行體艉部后端至少有2倍艇長的距離。因此可知，水池長度（m）應(yīng)至少大于4倍艇長，即需滿足式（30）：

在式（30）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析滿足充足試驗時間所需的水池長度。為了能充分觀察水下熱滑翔機(jī)模型的運(yùn)動狀態(tài)，以測量其水動力性能，模型在水池中的全程航行時間需大于50 s。真實的水下熱滑翔機(jī)的巡航速度為0.5 m/s，根據(jù)式（29），可知水下熱滑翔機(jī)模型在水池中的航行速度為：

且可得式（32）：

比較式（32）和式（30），可見式（31）的約束條件包含于式（32）的約束條件，則水池的長度滿足式（32）即可，本文將水池的長度設(shè)計為10 m。

1.5 水池參數(shù)列表

根據(jù)以上各節(jié)的討論，海洋溫躍層模擬水池的幾何設(shè)計參數(shù)整理如表1所示。

表1 海洋溫躍層模擬水池的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Designed parameters of ocean thermocline simulation pool

2 水池模型可靠性的數(shù)值驗證及溫度場實證

利用STREAM軟件，建立如第1節(jié)所設(shè)計的數(shù)值水池模型，通過數(shù)值計算的方法求解水下熱滑翔機(jī)模型在水池中的阻力值，同時與采用ITTC建議的阻力理論計算公式的真實水下熱滑翔機(jī)的阻力結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證海洋溫躍層水池的水動力模擬的有效性。對于建成的水池主體中的溫度分布，本文采用線狀分布的多組熱電偶分段測量辦法，驗證了溫度場中溫度梯度的大小。

2.1 水池中的滑翔機(jī)阻力計算

數(shù)值水池模型的正視和側(cè)視圖如圖4所示，其網(wǎng)格模型如圖5所示，采用正交六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共計13088880個網(wǎng)格。

圖4 數(shù)值水池模型視圖Fig.4 Sketch of the designed numerical pool model

圖5 數(shù)值水池模型網(wǎng)格視圖Fig.5 Meshes of the numerical pool

數(shù)值計算的具體方法如表2所示。

表2 數(shù)值計算具體方法Tab.2 Specifications of the numerical calculation method

根據(jù)數(shù)值計算得到的結(jié)果，在水池中以0.19 m/s速度運(yùn)動的水下熱滑翔機(jī)模型所受到的總阻力大小為0.172 N。

2.2 真實滑翔機(jī)的阻力值計算

通過ITTC的經(jīng)驗公式，可以計算真實水下熱滑翔機(jī)在無限寬廣的海洋溫躍層中運(yùn)行的阻力大小，將這一阻力數(shù)值與第2.1節(jié)進(jìn)行數(shù)值計算得到的海洋溫躍層水池中水下熱滑翔機(jī)模型的阻力進(jìn)行比較來驗證水池的可靠性。

首先，利用式（6）計算得到水下熱滑翔機(jī)模型的傅汝德數(shù) Fr′的數(shù)值為0.143。根據(jù)ITTC 7.5-02-03-01.1船模水池試驗標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng) Fr′≤0.3時，設(shè)阻力為R，總阻力系數(shù)為Ct，濕表面積為Aw，則阻力計算經(jīng)驗公式如式（33）所示：

根據(jù)1957 ITTC標(biāo)準(zhǔn)，SF為尺度因子，根據(jù)文獻(xiàn)［15］的研究，在傅汝德數(shù)較低時，SF的值可取為1.667，而摩擦阻力系數(shù)Cf則可由式（35）確定：

利用式（8），可計算得到水下熱滑翔機(jī)的雷諾數(shù) Re=4.03×105，將之代入式（35）可得 Cf=0.00577，將 Cf和 SF的值代入式（34）可得 Ct=0.009619，最后，由式（33）可得阻力 R=0.164 N。

2.3 比較驗證與水池

比較第2.1節(jié)和第2.2節(jié)分別就水下熱滑翔機(jī)的海洋溫躍層模擬水池體系與真實海洋溫躍層中2種情況分別采用數(shù)值模擬的方法和經(jīng)驗公式進(jìn)行計算得到阻力的大小，發(fā)現(xiàn)兩者的相對偏差為4.9%，這說明海洋溫躍層模擬水池可以有效模擬滑翔機(jī)在真實海洋溫躍層環(huán)境中的運(yùn)行情況，阻塞效應(yīng)、淺水效應(yīng)及池壁效應(yīng)等均能獲得有效的抑制。

目前，所設(shè)計的水池主體已完成，如圖6所示。水池主體為一個敞口長方體結(jié)構(gòu)的水槽，長10 m，寬1.34 m（考慮板材厚度后的實際寬度），高2.0 m。水槽采用PVC透明硬板材質(zhì)（厚20 cm）整體焊接而成。水槽的右端為進(jìn)水口，左端為出水口，在水槽端部，上部為熱水進(jìn)口，下部為冷水進(jìn)口。冷、熱水通過兩端的導(dǎo)流隔板在流入水槽時，水流變?yōu)槠椒€(wěn)的分層流動，并在水槽上部形成流動的熱水層，在下部形成流動的冷水層。水池結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)備設(shè)計如圖7所示。

圖6 海洋溫躍層模擬試驗池主體Fig.6 Main body of the simulation pool for ocean thermocline

圖7 水池結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)備示意圖Fig.7 Structure of the pool and its auxiliary equipments

水池采用水冷機(jī)來完成對水流的加熱和降溫，具體采用的是GLS-10型水冷冷水機(jī)組，水冷機(jī)的循環(huán)水量為5 m3/h。利用水冷機(jī)制冷循環(huán)中的冷凝和放熱環(huán)節(jié)為水池提供熱水和冷水：熱出水在流經(jīng)冷凝器時通過吸收R22冷凝劑放出的熱量而被加熱，冷出水在流經(jīng)板式交換器時由于冷凝劑的吸熱過程而被冷卻。

用于測量溫度梯度的線狀熱電偶組采用的是Pt100溫度傳感器，共10個，等距排列在白色PVC管上，如圖7中T1～T10。PVC管的長度與水池高度一致，兩端的傳感器分別距水池底部與頂部0.1 m和0.2 m，如圖8所示。

測量日的氣溫為12℃。在水池主體運(yùn)行后，將圖8所示的傳感器組放在相距水池進(jìn)流口5 m處進(jìn)行溫度測量，根據(jù)溫度傳感器所采集到的溫度數(shù)據(jù)，將所得測量結(jié)果整理如表3所示。

圖8 測量用線狀溫度傳感器組Fig.8 Linear series of the temperature sensors

對表3中數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，如圖9所示。擬合的R值為0.997（絕對線性值為1），具有高度線性，擬合質(zhì)量很高。可得水池的溫度梯度為9.26，這與設(shè)計的目標(biāo)溫度梯度相比略小，相對誤差為3.5%。造成誤差的原因是水池壁的PVC板未能做到完全絕熱，環(huán)境溫度較水溫低，水池向環(huán)境擴(kuò)散熱量造成，但誤差未超過5%，處于允許范圍內(nèi)。

表3 溫度采集點(diǎn)測得的溫度Tab.3 Measured temperature of testing nodes

圖9 水池溫度數(shù)據(jù)線性擬合曲線Fig.9 Linear fitting curve of measured data in the pool

3 結(jié) 論

1）基于相似理論，設(shè)計出了用于水下熱滑翔機(jī)的水動力及相變性能研究的模擬海洋溫躍層的室內(nèi)水池。所設(shè)計的海洋溫躍層模擬水池具有模擬14 m水深，溫度梯度0.2℃/s的溫躍層的能力。

2）基于傳熱理論微分方程及水下熱滑翔機(jī)熱工作原理推導(dǎo)溫度場相似準(zhǔn)則的方法，得出水池模型的溫度梯度需為實體溫度梯度縮尺比的平方倍。

3）采用合理的幾何尺寸，能夠抑制阻塞效應(yīng)、淺水效應(yīng)及池壁效應(yīng)等不良影響。

4）利用線性陣列的溫度傳感器測量了建成海洋溫躍層模擬水池的溫度梯度值，兩者偏差小于3.5%，驗證溫度梯度值到達(dá)了設(shè)計目標(biāo)。

5）利用數(shù)值計算方法模擬了待試驗水下熱滑翔機(jī)模型在所設(shè)計的水池中以0.19 m/s的速度運(yùn)動時所受到的阻力大小，并通過ITTC建議的經(jīng)驗公式估算了待試驗水下熱滑翔機(jī)實體在海中運(yùn)行的真實阻力。模型與實體的阻力值相差不超過5%，說明水池的阻塞效應(yīng)等不良效應(yīng)造成的模擬誤差有限，證明所設(shè)計水池的模擬具有較高的可靠性。

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