为了给水下潜航体的动力装置降温,海水被源源不断地用作冷却水,当冷却水以一定的速度被排出后,与周围的背景海水相互混掺换热便会形成热尾流。由于受热海水温度较高,则密度相应较小,于是在扩散过程中将逐渐向上浮升,若其浮升至海表面则会形成热尾迹。另外,由于阳光的照射,海水温度一般存在稳定的垂向层结,当潜航体在水下运动时会扰动海水的稳定分层而激发内波,使下层温度较低的海水传至海表面形成冷尾迹。红外探测仪对温差捕捉具有极高的灵敏度和精度,可以通过对冷热尾迹的实时成像进行水下潜航体的探测。本文针对热尾流的浮升扩散和流场的温度变化做了以下研究:首先,以简化的Suboff光顺艇体模型为研究对象,在控制潜航体单位时间内排出的冷却水热量一定的情况下,划分了多种不同排水口布列、排水口截面积、冷却水温度和冷却水排放速度的组合工况,应用CFD技术,采用RANS湍流计算方法,对均匀流中热尾流的扩散进行了数值模拟。结果表明,温度较高的热尾流在扩散过程中会与周围海水进行热的传导和对流,其温度会随着时间逐渐衰减,且冷却水的温差相比于流量而言对热尾流的浮升扩散和温度衰减的影响更大。其次,在以上研究的基础上,参考了中国海和各大洋的物理水文资料,通过分析温跃层的时间、空间分布和形态特征,构建了海洋水体的连续线性分层、混合分层和强分层数学模型,研究了分层模式和有无分层对热尾流浮升扩散的影响。结果表明,与均匀流中相比,由于分层海水温度分布的不均匀性,当潜航体位于温跃层中间或温跃层下方时,海水的分层会促进热尾流温度的衰减并抑制其浮升高度,当潜航体位于温跃层上方时,海水分层对热尾流的影响作用不明显。另外,潜航体在分层海水中的运动会扰动海水的稳定分层,使流场的温度分布发生巨大变化。最后,改变潜航体的航速和潜深,研究均匀流和混合分层流中航速和潜深分别对热尾流浮升扩散和温度衰减的影响。结果表明,均匀流和混合分层流中潜航体的航速越高,冷却水被周围海水冲刷稀释得越强,热尾流温度衰减越严重;均匀流中潜航体的潜深越小,热尾流的浮升高度越高,垂向扩散范围越大;混合分层流中潜航体的潜深越大,热尾流换热越快,温度衰减越严重,上浮高度和幅度越小。