基于matlab的水下航行器建模与仿真,水下航行器尾流的感应电磁场模型与仿真

随着海洋资源开发与水下目标探测的发展,水中航行器尾流感应电磁场模型的建立已成为重要课题。从20世纪60年代至今,国内外学者研究了海洋环境的感应电磁场[1-4],并对船舶、水下航行器尾流的感应电磁场模型及其传播特性[5-9]进行了研究。但对于水下有限深度航行器尾流感应电磁场的研究仍较少且分析不足,并未推导出水下有限深度航行器尾流感应电磁场的3层模型。因此,本文在深入分析理论知识与研究水下航行器产生尾流的基础上,根据麦克斯韦方程组[8]推导出水下航行器尾流的空气海水海底3层浅海感应电磁场模型采。用高斯积分法对其进行求解,并分析电磁场的传播、频率等特性。其对未来水下航行器的探测研究与发

展提供了重要的依据与思路。1浅海中水下航行器尾流速度场忽略空气对航行器的影响且考虑水下航行器皆为Rankine卵形体,建立如图1所示的航行器海中运动直角坐标系,其相对航行器静止。图中,海水深度为d,海水、海底与空气的电导率分别为1、2、0。其中0,以海面为x轴,垂直海面为z轴,z轴正方向指向空气,海底z

coshk0(z+d-h)coshk0de-j(0t+k0scos+k0ysin)d(1)s()=2vVLsin(k0cosL/2)(2)k0=gtanhk0dv2cos2(3)0=k0vcos(4)图1航行器海中运动直角坐标系航行器的速度场由q=得q(x,y,z,t)=Re/2-/1s()qe-j(0t+k0xcos+k0ysin)d(5)q=k2coshk0(z+d-h)coshk0d[jcosi+jcosj-tanhk0(z+d-h)k](6)式中,i,j,k分别为x,y,z单位向量。水下10m处的20m长航行器水下排水量为500T,其尾流速度场主要分布在“V”字形区域,在“V”字形区域外部衰减迅速,边界具有最大值的散波。2水下航行器尾流感应电磁场模型I和分别为磁倾角,地磁场为BE=F(cosIcosi+cosIsinj-sinIk)。水下航行器的感应磁场、电场、海水感应电场分别为B=H、E、q(H+BE)qBE(BE>B)。因此,可得式(7)~式(9)表示的水下航行器尾流感应电磁场麦克斯韦方程组。式中,、、分别为介质磁导率、电导率与介电常数。E=-Ht(7)H=(E+qBE)+Et(8)H=0(9)水下航行器尾流感应电磁场可用式(10)和(11)表示。H(x,y,z,t)=Re/2-/1S()h(z)e-j(0t+k0xcos+k0ysin)d(10)E(x,y,z,t)=Re/2-/2S()e(z)e-j(0t+k0xcos+k0ysin)d(11)并令q=q(z)e-j(0t+k0xcos+k0ysin)、H=h(z)e-j(0t+k0xcos+k0ysin)、E=e(z)e-j(0t+k0xcos+k0ysin),最终可得式(12)和(13)。h(z)=P1+P2-a1()ek0(d-h)+b1()e-k0(d-h)k20-2()1e-z,z>0P1e1z+P2e-1z-a1()ek0(z+d-h)+b1()e-k0(z+d-h)k20-21,-d0h(z)-1qBE1-j10,z<0h(z)-3qBE2-j20,-