潛艇X舵的布局優(yōu)化

焦玉超，肖昌潤(rùn)

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系， 武漢　430033)

尾舵對(duì)于潛艇的性能具有很大的影響，因此，專門對(duì)尾舵進(jìn)行研究很有必要。尾舵有不同形式，目前應(yīng)用最為廣泛的是“十”字型尾舵，除此之外還有其他舵型，比如：“米”字型、H型、T型、“木”字型及X型等[1]。近年來(lái)，很多國(guó)家注意到了X舵的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了研究與應(yīng)用實(shí)踐，雖然X舵相比于“十”字舵應(yīng)用并不是十分廣泛，但是具有廣闊的應(yīng)用前景。X舵與“十”字舵各有千秋，很難說(shuō)到底哪種舵型更具有優(yōu)勢(shì)。目前普遍認(rèn)為X舵就是四個(gè)尾翼呈X形正交分布，舵軸中心線與艇的縱中對(duì)稱面成±45°夾角的操縱面[2]。但是對(duì)于其他角度的X形尾舵的了解卻不夠，為了更加深入了解X舵的分開(kāi)角度對(duì)潛艇性能的影響，對(duì)帶有20°、30°、45°、60°4種X形尾舵的潛艇阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，本文用到的計(jì)算方法和得出的結(jié)論對(duì)推動(dòng)X舵的發(fā)展大大有利。

1　計(jì)算模型

計(jì)算模型為帶指揮臺(tái)圍殼的潛艇模型。由于Solidworks建模軟件建立三維模型具有突出的優(yōu)勢(shì)，選擇用Solidworks軟件建立潛艇的幾何模型。為方便模型的建立，把坐標(biāo)原點(diǎn)選在潛艇模型的首端。由于潛艇附體較多，其中包括尾翼、指揮臺(tái)圍殼以及指揮臺(tái)圍殼舵[3]，采用主艇體與附體分開(kāi)建模的方式，最后應(yīng)用Solidworks建模軟件中的裝配體功能實(shí)現(xiàn)主艇體與每個(gè)附體的結(jié)合。建立主艇體時(shí)，要注意主艇體外形曲線所取點(diǎn)的數(shù)量，保證主艇體外形的曲率要求，在平行中體部分可以適當(dāng)減少取點(diǎn)的數(shù)量，在艇首與艇尾曲率變化大的地方加密取點(diǎn)，保證艇體外形的準(zhǔn)確。建立各個(gè)附體時(shí)，更要注意保證點(diǎn)的密集度，雖然附體的幾何尺寸相對(duì)于主艇體來(lái)說(shuō)較小，但是所起的作用很大，本文主要研究附體對(duì)潛艇水動(dòng)力性能的影響，因此保證附體的線型準(zhǔn)確十分必要[4]。附體與主艇體的幾何模型建好后，進(jìn)行裝配，裝配要保證每個(gè)附體裝配位置準(zhǔn)確。定義X舵的四個(gè)舵分別定義為1′，2′，3′，4′號(hào)舵，示意圖如圖1。

保持尾舵沿艇體縱向位置不變，改變尾舵和主艇體中縱剖面的夾角[5]，分別取20°、30°、45°、60°。不同角度的X舵結(jié)構(gòu)，示意如圖2、圖3、圖4和圖5。

圖2　20°X舵圖3　30°X舵

圖4　45°X舵圖5　60°X舵

20°X舵、30°X舵、45°X舵、60°X舵潛艇幾何模型尾部細(xì)節(jié)如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

2　計(jì)算域設(shè)置、邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格劃分

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；計(jì)算域設(shè)置為長(zhǎng)方體區(qū)域[6]：速度入口在艇首向前1倍艇長(zhǎng)，壓力出口在艇尾向后2倍艇長(zhǎng)，其余四個(gè)邊界都取距離艇體中心線1倍艇長(zhǎng)，如圖10所示。

設(shè)定進(jìn)口處為速度入口邊界條件，來(lái)流速度取U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28m/s，出口處為壓力出口邊界條件，設(shè)置為0 Pa，除速度入口和壓力出口這兩個(gè)邊界外，其余四個(gè)邊界為壁面邊界條件，且滿足任意滑移條件，艇體表面為壁面無(wú)滑移邊界條件[7]。劃分網(wǎng)格時(shí)，保證主艇體與各附體的連接處網(wǎng)格密度足夠，在此位置處適當(dāng)加密。由于本節(jié)重點(diǎn)研究X舵的布置方式對(duì)潛艇水動(dòng)力的影響[8]，因此需要對(duì)操縱面網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，保證模型的網(wǎng)格分布較為均勻，網(wǎng)格數(shù)量在350萬(wàn)左右[9]。不同X舵角度的潛艇模型網(wǎng)格以及尾舵網(wǎng)格如圖11～圖18所示。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)不同尾舵形式的潛艇在U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28 m/s下進(jìn)行縱向直航的數(shù)值模擬，得到的摩擦阻力曲線、粘壓阻力曲線和總阻力曲線如圖19～圖21所示。

根據(jù)圖19～圖21可以得出如下結(jié)論：

(1)4種X形尾舵潛艇的摩擦阻力幾乎完全相同，說(shuō)明雖然尾舵形式改變了，但是由于濕表面積相同，因此摩擦阻力也相同；

(2)4種X形尾舵潛艇的粘壓阻力出現(xiàn)差異，在相同速度下，20°X舵潛艇粘壓阻力最大，45°X舵潛艇粘壓阻力最小，30°和60°X舵潛艇粘壓阻力近似相等；

(3)對(duì)于總阻力，在相同速度下，45°X舵潛艇總阻力最小。

4種X形尾舵潛艇在速度為6.68 m/s時(shí)的尾部流場(chǎng)分布云圖如圖22～圖25。

4種X形尾舵潛艇在速度為6.68 m/s時(shí)的艇體壓力分布云圖如圖26～圖29。

由流場(chǎng)分布可以看出，45°X舵潛艇的尾流場(chǎng)分布比較均勻，這也是由于45°X舵潛艇的粘壓阻力較小，同時(shí)還有利于提高螺旋槳的推進(jìn)效率[10]。

通過(guò)監(jiān)測(cè)艇體表面兩條曲線的壓力，分析不同角度的X舵對(duì)潛艇表面壓力場(chǎng)的影響[11]，其中位于潛艇右舷的105°和165°曲線(0°對(duì)應(yīng)十字舵的上垂直翼，180°對(duì)應(yīng)下垂直翼)的壓力分布如圖30和圖31所示。

根據(jù)四種不同角度X舵潛艇模型在航速為6.68 m/s時(shí)的壓力分布云圖和位于潛艇右舷的105°和165°曲線的壓力分布圖可知：X舵布置方式的改變對(duì)艇體表面壓力的影響主要體現(xiàn)在尾部，對(duì)尾部以外的壓力場(chǎng)基本沒(méi)有影響。其中45°X舵更有利于尾部壓力場(chǎng)均勻[12]，使?jié)撏П砻娴膲毫梢暂^好地光順過(guò)渡，沒(méi)有大的壓力突變。綜合分析可知45°X舵潛艇的水動(dòng)力性能更優(yōu)良。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶有20°、30°、45°、60°4種X形尾舵的潛艇阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，得出45°X舵潛艇總阻力最小，更有利于潛艇的快速性和改善潛艇尾部流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)白,李柯.潛艇舵面設(shè)計(jì)分歧[J].兵器知識(shí),2011(4):16-19.

[2]施生達(dá),王京齊.潛艇操縱面的建筑形式評(píng)述[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),1995(1).

[3]羅伊·伯切爾,等.潛艇設(shè)計(jì)基本原則[M].1994.

[4]哈里 杰克遜.美國(guó)“大青花魚”號(hào)潛艇對(duì)潛艇設(shè)計(jì)的影響[C].4Th倫敦國(guó)際潛艇會(huì)議文集.倫敦：1993.

[5]馮德生.潛艇“X”舵發(fā)展概況和瑞典“X”舵的研究應(yīng)用簡(jiǎn)述[R].1990.

[6]胡坤,宗方勇,龐曉楠.X舵潛艇等效舵角轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)研究[J].船海工程,2003(6):19-21.

[7]方新洲.日潛艇將裝備“X型尾舵”[J].航海,2004(1):37-37.

[8]王京齊,李亞楠.潛艇X型尾操縱面的操縱特性[J].船海工程,2006,35(2):1-3.

[9]胡坤,徐亦凡,王樹宗.潛艇X舵發(fā)展概況及其操縱控制特性分析[J].中國(guó)造船,2007,48(2):130-136.

[10] 趙峰,周連第.潛艇CFD高技術(shù)研究的進(jìn)展與展望[J].艦船力學(xué)情報(bào),1995(3):55-58.

[11] 詹成勝,劉祖源,程細(xì)得.潛艇水動(dòng)力系數(shù)數(shù)值計(jì)算[J].船海工程,2008,37(3):1-4.

[12] 邱遼原.潛艇粘性流場(chǎng)的數(shù)值模擬及其阻力預(yù)報(bào)的方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.