该研究题为“Mechanism and evolution of the wake magnetic field generated by underwater vehicles”，由 Bo Huang、Zhongyan Liu、Yujing Xu、Mengchun Pan、Jiafei Hu 和 Qi Zhang 合作完成，研究单位为国防科技大学智能科学与技术学院（College of Intelligence Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, 410073, China）。这篇文章发表在期刊《Ocean Engineering》的第303卷（2024年），文章编号为117779，可在线访问时间为2024年4月5日。
随着潜艇声学隐身技术的不断提高，潜艇在运动过程中产生的噪声水平已经接近海洋背景噪声。这使得传统的声学检测技术难以有效监测现代潜艇。因此，越来越多研究转向非声学检测技术，包括磁异常检测（Magnetic anomaly detection）、尾迹检测（Wake detection）及合成孔径雷达（Synthetic aperture radar）等。其中，磁异常检测因其抗干扰能力强、搜索范围广和定位精度高而备受关注。
磁异常信号可分为两类：一类来源于用铁磁性材料制造的潜艇，其在运动中造成区域地磁场的变化，通常称为经典磁异常信号；另一类来源于潜艇运动引发的流体动力干扰，这会导致海洋中的离子分离并生成电磁场，称为尾迹磁场。然而，因为现代潜艇逐渐采用低磁性金属及主动消磁技术，其经典磁异常信号的强度显著降低，从而使检测变得更加困难。
潜艇运动形成的流场尾迹是一种重要的尾迹磁场来源。具体而言，当导电的海水在地磁场背景下运动时，会因离子分离而产生位移电流，从而生成电磁场。这种尾迹磁场与潜艇磁性本身的强弱无关，并且在潜艇后方可长时间维持；因此，这为潜艇运动的非声学检测提供了潜在的可能性。
尽管尾迹磁场在水下目标检测中具有重要意义，但目前仍缺乏对潜艇运动过程中的流体动力学、离子输运与电磁场之间复杂关系的系统研究。基于上述现状，该研究旨在通过建立跨学科理论模型与多物理场耦合仿真，深入探讨潜艇运动产生的尾迹磁场的生成机制及其演变规律。
研究设计了一个创新的跨学科模型，整合了离子惯性效应与离子诱导效应。模型通过求解流体动力学方程（如雷诺平均Navier-Stokes方程，缩写为RANS）以及麦克斯韦方程组，首次实现了潜艇流场尾迹与尾迹磁场的耦合建模。尾迹磁场的核心计算框架基于多物理场耦合方法，包括以下物理现象： - 离子受力分析，包括电场力、洛伦兹力、摩擦力、浓度梯度力等。 - 空间电荷密度及极化电流密度的动态演变。 - 基于模型简化与小量忽略的扩散方程构建。
研究在CFD领域引入了动态重叠网格技术（Dynamic overlapping-grid technology），专门针对潜艇螺旋桨复杂几何区域使用小三角网格以提高计算精度。此外，潜艇尾部区域使用滑移网格技术（Sliding-grid technology）处理螺旋桨旋转运动。计算域内，网格分区分为背景区域、前景区域和旋转区域；并针对潜艇表面的网格进行了精密划分，以捕捉潜艇与海水相互作用所产生的尾迹流场及电磁参数。通过三种不同网格精度的验证分析（粗网格、中网格、精细网格），最终确定采用中等网格以平衡计算效率与结果精度。
在数值仿真中，潜艇及螺旋桨的运行参数设定为：潜艇速度为5.93节（Knots），螺旋桨转速为120 rpm；周围海水密度为1000 kg/m³，运动学粘度为1.003×10⁻³ N·s/m²。背景地磁场基于黄海区域的实际观测值：地磁场强度50226 nT，磁倾角为50.733°。
尾流演变规律：尾迹速度场在潜艇头部和尾部区域生成显著流相扰动，随着时间推移，尾流形态逐渐稳定并发生速度衰减。尾迹磁场分布上，头部和尾部区域产生强磁场，尤其是在尾部螺旋桨产生的流动扰动下，磁场对称地扩展。
尾迹磁场生成机制：
潜艇航向影响：潜艇在东西与南北方向航行时，其尾迹磁场的分布特性表现显著差异：
尾迹磁场衰减规律：尾迹磁场沿潜艇尾部的X轴方向衰减特性可划分为三个区域：
该研究系统地揭示了潜艇运动产生的尾迹磁场的生成机理与演变规律，为水下目标基于尾迹磁场的非声学探测提供了有价值的理论依据。特别是，通过构建多物理场耦合模型，本研究从离子动力学、电磁学与流体力学的交叉视角提出了创新性理论框架。这一框架不仅对尾迹磁场的研究具有重要参考价值，也有助于推动未来弱磁性目标的水下监测技术的发展。
该研究在推进潜艇尾迹磁场分析、非声学检测理论研究及精确数值仿真方法方面作出了重要贡献，为潜艇尾迹磁场的后续研究提供了可靠的理论和方法支持。