潛艇艏舵繞流場的數(shù)值模擬

劉明靜 馬運(yùn)義 吳 軍

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

潛艇艏舵繞流場的數(shù)值模擬

劉明靜 馬運(yùn)義 吳 軍

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

為了研究艏水平舵位置對于艉部流場的影響，將艏水平舵布置在指揮室或主艇體上（分別稱為圍殼舵和艏舵）。通過對SUBOFF進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證網(wǎng)格劃分方式和數(shù)值計(jì)算方法的正確性，并將該方法應(yīng)用于圍殼舵和艏舵模型。計(jì)算結(jié)果表明，在采用較好的流線型指揮室的情況下，采用艏舵形式有利于艉部伴流場的均勻性。

艏舵；圍殼舵；數(shù)值模擬；尾部伴流場

1 引言

隨著世界形勢的變化，人們對于海洋權(quán)益越來越重視，潛艇也隨之受到人們的重視。對于潛艇周圍粘性繞流場的研究也日益增多。在阻力方面，為了避免艇體與附體的相互干擾，需要充分考慮附體的布置。

潛艇的附體一般都是由3對舵組成，除尾鰭之外，還使用一對水平舵，這對舵布置在指揮室圍殼上（圍殼舵）或艏部（艏舵）。裝設(shè)艏水平舵的原因是能夠獨(dú)立控制縱傾和下潛深度。對于無縱傾的下潛和上浮的機(jī)動(dòng)情況，單靠一對艉水平舵是無法保證操作的完成。此外，在低于逆速（1.5～2.0 kn）的較低航速上，垂直面內(nèi)只靠艉舵操縱是很困難的。與高于逆速的速度相比，在逆速和低于逆速的速度上，轉(zhuǎn)舵的規(guī)律改變了，因此有必要布設(shè)兩對水平舵。

將艏舵布置在主艇體上時(shí)，為了避免潛艇橫靠碼頭時(shí)造成舵的損壞，可以設(shè)計(jì)成可收折式，以較大的展弦比布置在艏部載重水線以上的上層建筑空間內(nèi)。航速較高時(shí)，為避免增大阻力、消除繞流艏舵時(shí)的水動(dòng)力噪聲，也可將艏舵收回。由于舵體距離主艇體水動(dòng)力中心較遠(yuǎn)，故舵效較高，只需較小的舵角就可以產(chǎn)生較大的垂向操縱效果，特別是在發(fā)生尾舵卡舵的緊急情況，艏水平舵的這種優(yōu)點(diǎn)更為明顯。但是艏舵也有明顯的缺陷，由于艏部有效空間較小，可收折式的艏舵在布置上與水聲設(shè)備容易產(chǎn)生矛盾。受舵機(jī)和水動(dòng)力噪聲的影響，對水聲器材的使用也會(huì)產(chǎn)生影響。

相對于艏舵，圍殼舵一般不會(huì)超出潛艇的最大寬度，可以避免橫靠碼頭時(shí)的碰撞問題。同時(shí)由于圍殼舵遠(yuǎn)離艏端，可以減少操縱機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲對聲吶的不利影響。不過由于圍殼舵的位置較高，當(dāng)潛艇處于接近水面的深度上航行時(shí)，與裝設(shè)在艇體上的艏水平舵相比，圍殼舵受到海面波浪的影響相對更大一些，從而增加了保持潛望深度的難度。當(dāng)潛艇從水面快速下潛時(shí)，由于圍殼舵位置高出水面很多，無法快速發(fā)揮其相應(yīng)的作用。同時(shí)也由于圍殼舵靠近水動(dòng)力中心，所以操舵效果不如艏舵明顯。

縱觀各國潛艇，俄羅斯的潛艇采用艏舵較多，而歐美等國則較多的采用圍殼舵。這兩種艏舵布置形式究竟哪種較好，需要根據(jù)具體的情況來分析，這里主要關(guān)注它們對于尾部伴流場的影響。近年來有很多學(xué)者應(yīng)用CFD技術(shù)模擬潛艇周邊粘性繞流場［1］，但這些模擬大都是以SUBOFF為模型，沒有考慮艏水平舵對于尾部伴流場的影響。本文采用CFD方法，通過Fluent軟件模擬艏水平舵布置在主艇體和指揮臺(tái)上的兩種形式，研究這兩種水平舵形式對于尾部伴流場的影響。

2 計(jì)算模型

本文中所采用的計(jì)算模型主尺度取為SUBOFF標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)值［2］，即L×B×D=4.356×5.08× 5.08，其中前體Lf長1.016 m，平行中體Lp長2.229 m，后體La長1.111 m。

對于艏水平舵布置在指揮臺(tái)上的模型 （以下簡稱圍殼舵模型），指揮臺(tái)和尾翼布置及形式同SUBOFF，指揮臺(tái)長0.368 m，上部有一外凸的頂蓋。尾翼布置方式為翼型后緣，位于x=4.007 m處，4個(gè)尾翼剖面為NACA0020翼型，對稱布置。此外，在指揮臺(tái)垂向半高處加上圍殼舵，翼型剖面為NACA翼型，但厚度比略減。模型如圖1所示。

對于艏水平舵布置主艇體上的模型 （以下簡稱艏舵模型），主艇體及艉附體與SUBOFF相同。指揮臺(tái)為改型后的流線型指揮臺(tái)。艏舵布置在艏部上半部，翼型剖面為NACA翼型，厚度比與上述圍殼舵相同，模型如圖2所示。

圖1 圍殼舵模型

圖2 艏舵模型

3 潛艇三維流場計(jì)算

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

對不可壓縮粘性湍流流動(dòng)，采用RANS方程，同時(shí)采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行封閉，其控制方程［3］中，不可壓縮流體連續(xù)性方程為：

RANS方程為：

湍動(dòng)能方程為：

湍動(dòng)能耗散率方程為：

采用有限體積法離散控制方程以及湍流模式［4-5］。壓力方程采用離散方程進(jìn)行離散。對于動(dòng)量方程、湍流方程和雷諾應(yīng)力方程均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壓力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法［6-7］。

3.2 邊界條件及計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算過程中計(jì)算區(qū)域?yàn)榕c潛艇同軸的圓柱體，由入流邊界、出流邊界、壁面邊界及周向控制面組成［8］，如圖3所示。為保證Re≥1.2×107，故速度范圍為ν≥2.765 m/s。對邊界條件的說明如下：

1）入流邊界：位于艇前1倍艇長處，采用速度進(jìn)口邊界條件，來流速度取為5 m/s；

2）出流邊界：位于艇后2倍艇長處，采用壓力出口邊界條件；

3）壁面邊界：采用無滑移壁面邊界條件；

4）周向控制面：直徑取為艇體直徑的10倍，采用速度進(jìn)口邊界條件，來流速度與進(jìn)口相同。

整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在艇體周圍生成O型網(wǎng)格，并進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格總數(shù)為150萬左右。模型壁面網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 模型壁面網(wǎng)格

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中網(wǎng)格劃分方式及計(jì)算方法的正確性，首先采用這種方法計(jì)算SUBOFF標(biāo)準(zhǔn)模型，并將該計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比［9］。圖5所示為本文計(jì)算的槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖，圖6所示為槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)測量值等高線。由圖可見，兩者的趨勢是大體一致的。圖7所示為槳盤面上r=0.5R處尾流速度測量值與計(jì)算結(jié)果的比較，其中橫坐標(biāo)為槳盤面處逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一周的角度值，縱坐標(biāo)為x向的相對速度值。由圖可見，計(jì)算結(jié)果比較連續(xù)，均位于實(shí)驗(yàn)測量值范圍內(nèi)。這說明采用的網(wǎng)格劃分方式和數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬潛艇周圍的粘性流場。

4.2 計(jì)算結(jié)果

圖5 槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線計(jì)算圖

圖6 實(shí)驗(yàn)測量槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖

圖7 槳盤面上0.5R處x向尾流速度測量值與計(jì)算值對比圖

采用上述方法，對兩種模型進(jìn)行計(jì)算，所得的槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖如圖8、圖9所示。由圖可見，相對于無艏舵的SUBOFF模型，受艏舵和圍殼舵影響，尾部伴流場發(fā)生了明顯變化。對于圍殼舵，在主艇體上部出現(xiàn)了明顯的圍殼舵影響區(qū)域。由于艏舵位于主艇體上，艏舵的影響區(qū)域與指揮室的影響區(qū)域混在一起。為了顯示出艏舵對于艉部伴流場的影響，圖10為沿艇長方向不同位置處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖。由該圖可見艏舵對于流場的影響隨著向艉部的發(fā)展，逐漸減小。由于本文艏舵模型中指揮室較寬，且與主艇體結(jié)合部位過渡不夠光順，以致在指揮室后方形成了較為明顯的渦。該漩渦在槳盤面處對伴流場的影響已明顯蓋過了艏舵，這也從側(cè)面顯示出艏舵經(jīng)過沿艇向的發(fā)展，對艉部流場均勻性影響很小。

圖11為槳盤面上r=0.5R處尾流速度計(jì)算結(jié)果比較圖。圖中0°坐標(biāo)取為垂向坐標(biāo)正向，受圍殼舵和艏舵影響，在此處伴流場中有個(gè)速度的峰值［10］，相對于整個(gè)周向，在0°、360°處峰值最高。圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為全附體潛艇模型試驗(yàn)結(jié)果。由該圖可見本文的計(jì)算結(jié)果大體趨勢是正確的。艏舵模型在槳盤面處伴流場的均勻度較圍殼舵稍優(yōu)。但由于指揮室圍殼過寬，與主艇體結(jié)合部位不夠均勻，在指揮室后方形成了漩渦，使得上半部的速度等值線出現(xiàn)鼓起，削弱了艏舵的優(yōu)勢。

圖8 圍殼舵模型槳盤面伴流分?jǐn)?shù)等高線圖

圖9 艏舵模型槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖

圖10 艏舵模型橫剖面速度等值線圖

圖11 槳盤面0.5R處x向尾流速度

5 結(jié)束語

本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對于SUBOFF模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可行性。并對帶有指揮臺(tái)圍殼舵和艏舵的潛艇模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了尾部槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖的大體趨勢。通過對于槳盤面處伴流分?jǐn)?shù)等高線圖的分析，較低矮的指揮室和距離尾部槳盤面距離較遠(yuǎn)的艏部水平舵對于尾部伴流場的影響較小。

但是指揮室的線型，尤其是指揮室的后半部的線型對于艉部伴流場的均勻性影響較大。為了減小阻力，采用艏部水平舵的時(shí)候必須采用線型優(yōu)良的指揮室，這樣才能減少次生流的強(qiáng)度，從而削弱指揮室后方渦的影響。這些有待于后續(xù)開展進(jìn)一步的計(jì)算研究。

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Numerical Simulation on the Flow Around Fore Hydroplane of Submarine

Liu Ming-jing Ma Yun-yiWu Jun
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to investigate the impacts of the plane's position on the wake flow around the bow of submarine，two models for both the fore hydroplane and sailplane were established based on SUBOFF software，one positioned in the main hull and the other in the sail.Through a numerical simulation，SUBOFF model was computed to validate the method of grid plotting and numerical computation，and then applied this approach to the sailplane and fore hydroplane calculation respectively.The results show that the plane positioned in the main hull with streamlined sail will benefit the uniformity of wake flow.

fore hydroplane；sailplane；numerical simulation；wake flow

U661.2

A

1673-3185（2010）05-40-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.008

2009-08-11

“十一五”國防科技預(yù)研課題（1010501××××）

劉明靜（1981-），女，博士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：alice-lmj@163.com

馬運(yùn)義（1942-），男，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造