蓝绿激光在海水绕流中的传输特性研究

摘要

由于缺少相关的理论基础，蓝绿激光技术在高速海基装备上的应用发展缓慢。当载体在水下处于高速运动状态时，产生的绕流会对光波的波面产生作用，出现闪烁、漂移、像点拌动和扩展等“液动效应”现象，影响蓝绿激光在水下的传输，从而对高速载体的激光探测精度造成很大的影响。而目前研究较多的水下激光静态传输特性并不能解决此问题，因此，本文结合流体力学与海洋光学理论，对蓝绿激光在动态海水绕流中的传输特性展开了系统研究。
　　 首先分析蓝绿激光在海水中的静态传输特性，推导了静态条件下激光回波功率方程。并结合流体力学中的边界层、湍流以及空化等理论，分析出影响激光在动态绕流中正常传输的关键因素，建立激光在动态绕流中传输的初步模型。然后，运用FLUENT软件对海水动态绕流进行数值分析，得到了载体绕流场中各相流场分布，计算并拟合了海水介质中悬浮粒子浓度分布与激光传输距离的关系式，并利用此关系式进一步完善了理论推导出的动态模型。同时，探讨了边界层的流场结构、分布特征和光学信道位置的变化对悬浮粒子引起的准直光束衰减的影响。最后，设计了水下激光试验样机，开展了水槽试验与水洞试验，结果表明该水下绕流中激光传输特性的研究方案可行，试验结果与理论计算结果吻合，验证了该理论模型的正确性。
　　 本文研究结果可为蓝绿激光在水下高速载体上的应用提供理论依据和设计参考，而且文中将计算流体力学与水洞试验相结合的方案，为水下蓝绿激光的研究提供了一种新的方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 外部绕流研究现状

1．2．2 激光水下传输研究现状

1．3 主要研究内容及行文架构

2 激光水下传输理论研究

2．1 水下绕流基础理论

2．1．1 控制方程

2．1．2 边界层理论

2．1．3 湍流模型

2．1．4 空化理论

2．2 静态海水中的激光传输特性

2．2．1 吸收特性

2．2．2 散射特性

2．2．3 静态传输物理模型

2．3 动态绕流中的激光传输特性

2．3．1 动态传输关键参数

2．3．2 动态传输物理模型

2．4 本章小结

3 水下绕流环境数值分析

3．1 计算流体力学理论

3．1．1 计算流体力学概述

3．1．2 基于FVM的流体力学方程离散方法

3．1．3 FLUENT软件计算流程

3．2 水下绕流仿真分析

3．2．1 几何模型

3．2．2 网格模型

3．2．3 模型导入与计算

3．3 仿真结果分析

3．3．1 不同介质的流场分析

3．3．2 曲线拟合与动态模型修正

3．4 本章小结

4 水下试验设备与样机设计

4．1 理想水洞设计

4．1．1 水洞壁厚计算

4．1．2 水泵基本参数设计

4．1．3 水洞收缩段优选分析

4．2 水下试验样机设计

4．2．1 总体设计

4．2．2 机械载体设计

4．2．3 激光发射与接收模块设计

4．2．4 中间处理模块

4．2．5 DSP后段处理模块设计

4．3 本章小结

5 试验与结果分析

5．1 静态实验

5．1．1 静态实验方案

5．1．2 静态试验结果分析

5．2 水洞试验

5．2．1 水洞试验总体方案

5．2．2 水洞试验结果分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录