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基于水下航行器尾流感应磁场特性的研究

1. 研究作者、机构及发表信息
本研究的主要作者包括Bo Huang、Zhongyan Liu、Yujing Xu、Qiaochu Ding、Mengchun Pan、Jiafei Hu和Qi Zhang，他们均来自中国国防科技大学智能科学与技术学院。该研究于2022年8月9日发表在《Applied Sciences》期刊上，论文标题为《Characteristics of Magnetic Fields Induced by the Wake of an Underwater Vehicle》。该研究通过数值模拟方法，探讨了水下航行器在运动过程中尾流感应磁场的特性。

2. 学术背景
研究领域涉及流体力学与电磁学的交叉学科，主要关注水下航行器在航行过程中产生的流体尾流及其感应磁场特性。随着传感器技术的进步，特别是皮特斯拉级精度的原子磁力计（atomic magnetometer）的出现，检测这种微弱磁场信号成为可能。该研究旨在揭示水下航行器尾流感应磁场的形成机制、时空分布及频率特性，为基于尾流磁场的水下目标检测提供理论依据。

研究背景包括法拉第早期关于导电海水在地磁场中运动产生感应磁场的预测，以及后续学者对风浪、内波和洋流等海水运动产生的磁场的研究。水下航行器的运动会在其周围流体中引发长期的、大规模的尾流，这些流体扰动在地磁场中会产生感应磁场。尽管这些磁场信号较弱，但其在水下目标检测中具有潜在应用价值。

3. 研究流程
研究主要分为以下几个步骤：

3.1 数值模拟方法
研究采用计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）技术，结合动态重叠网格（dynamic overset grid）方法，对水下航行器运动过程中产生的尾流磁场进行数值模拟。CFD技术通过在空间和时间上离散流动控制方程，将连续的物理场转化为离散节点上的物理量，并通过插值连接不同节点。研究在ANSYS Fluent软件中实现了流动场与磁场的联合仿真。

3.2 控制方程与湍流模型
研究采用了Boussinesq近似下的Navier-Stokes方程，并使用标准k-ω湍流模型进行求解。流动场的控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程，分别描述了流体的速度场和压力场。

3.3 尾流感应磁场的建模
通过建立离子运动方程，研究描述了海水中离子在电场力、洛伦兹力、摩擦力、浓度梯度力和压力梯度力作用下的运动。结合质量守恒原理和麦克斯韦方程，研究建立了描述尾流感应磁场的数学模型，并通过Fluent的用户自定义函数（UDF，User-D