電磁力對潛艇繞流流場局部擾動優(yōu)化效果

張 菲, 劉宗凱, 周本謀, 李俊偉

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電磁力對潛艇繞流流場局部擾動優(yōu)化效果

張 菲1, 劉宗凱2, 周本謀1, 李俊偉1

(1. 南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室, 江蘇 南京, 210094; 2. 南京理工大學 先進發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京, 210094)

潛艇水下航行時, 由于流體粘性的存在導致流動分離、壁面邊界層轉捩等問題, 使得潛艇阻力增大,產生了大量的渦并伴隨有渦的不規(guī)則脫落。文中基于粘性不可壓Navier-Stokes控制方程, 使用有限體積法對=107潛艇流場進行數(shù)值仿真, 分析不同作用系數(shù)的電磁力分別施加于=1,=2,=3情況下的潛艇繞流流場結構和受力變化。結果表明, 當作用電磁力系數(shù)=1.5的電磁力施加于半球艏部與中體艇身交界處(=1,=1.5)時, 艇身的渦結構被有效抑制, 對圍殼頂蓋的控制(=2,=1.5)則可以有效抑制渦脫落現(xiàn)象, 同時阻力下降最多。由此可知, 合理利用適當?shù)碾姶帕刂茋鷼み吔鐚拥牧鲃幽苡行б种撇灰?guī)則渦的產生及其脫落, 減少流噪聲, 有助于提高潛艇的隱蔽性及動力性能。文中研究可為進一步研究優(yōu)化潛艇流場問題提供參考。

潛艇; 繞流流場; 電磁力; 渦

0 引言

潛艇在水下高速行進時會產生流動分離、邊界層轉捩及大尺度渦脫落等復雜的流場結構, 水介質與潛艇產生了相互運動而形成繞潛艇流動的流場, 這種相互作用及水介質內部湍流引起的水動力噪聲(無流動誘發(fā)的結構共振發(fā)聲水動力噪聲也稱為流噪聲), 主要是固體與流體的相對運動及流體自身的不規(guī)則運動, 激起流體內部應力和壓力擾動, 擾動在介質內的傳遞即為水動力噪聲, 嚴重影響航行器隱身性能。

國內外許多科研機構的研究人員都對水下潛艇的流場進行了大量的研究工作。如Chase等[1]計算了E1619型潛艇螺旋槳, 得出螺旋槳開水曲線并與實驗曲線進行了對比。Shariati等[2]分析潛艇航行時由于流體的粘性, 來流與潛艇附體相互作用, 附體增加了艇身整體所受的阻力。Chen等[3]則是從聲學特定角度分析了水翼和Suboff裸艇體水下湍流流場結構, 模擬顯示出噪聲源的分布。

對潛艇進行多方面研究的目的都是為了改善其航行動力性能, 提高隱蔽性。隨著科技的進步, 電磁流動控制也運用到相關研究中[4-5], 利用電磁力控制物體壁面附近邊界層的流動情況, 可影響整個繞流流場結構。將電磁激活板包覆于鈍體表面, 可在鈍體表面附近的流體邊界層內形成壁面法向呈指數(shù)衰減的電磁體積力。如果形成的電磁力方向平行于流體運動方向, 可使流體加速, 從而抑制邊界層分離、消除渦街, 達到減阻的目的[6-9]。文中運用電磁流動控制方法分析討論電磁力對潛艇繞流流場的作用效果并進行受力與受力穩(wěn)定性分析。

在水下高雷諾數(shù)的行駛環(huán)境下, 海水繞過潛艇頭部或圍殼時會發(fā)生流動分離、層流-湍流轉捩、渦脫落等現(xiàn)象, 因此會增加阻力, 產生噪聲, 不利于潛艇的隱蔽。文中分析電磁力不同作用位置以及不同大小下潛艇繞流流場結構和受力變化, 得出了最有效的消渦減阻減振的加力方式, 即對圍殼頂蓋的施加電磁力作用系數(shù)=1.5的電磁力可以有效抑制渦脫落現(xiàn)象, 同時阻力下降最多。研究電磁力對潛艇繞流流場的控制過程, 減少潛艇阻力, 抑制受力波動, 對于提高潛艇的隱蔽性和動力性能有重要意義, 為進一步研究優(yōu)化潛艇流場問題提供參考。

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 控制方程

無量綱形式的電磁流體控制方程[10]如下

式(2)中的代指無量綱電磁力, 由邊界層中的磁感應強度和電流密度表示

1.2 計算模型

選取帶圍殼附體的回轉體類潛艇模型對繞流問題進行分析研究, 如圖1, 潛艇艏部為一半球, 中體艇身為圓柱狀, 艉部則是平滑的錐形, 其長度分別為0.06、0.69和0.25(為潛艇的長度, 作為計算的特征長度)。艏部半球和艇身圓柱體的半徑為0.06。艇身上方的橢圓形結構為指揮臺圍殼, 圍殼為高0.06的橢圓柱, 其長短半軸分別為0.045和0.025, 并與裸艇體相貫于距前緣0.3處(以橢圓柱中心軸計算)[13]。設定電磁包覆參數(shù)為,=0表示潛艇無電磁力包覆,=1、=2、=3分別表示圖1所示位置包覆電磁力。

圖1 潛艇模型及電磁力包覆位置

如圖2所示, 計算區(qū)域大小為4× 2× 2, 流動自左向右,軸指向下游,軸指向右舷,軸指向垂直向上方向。坐標原點位于入口下游0.5處, 潛艇首端點的空間坐標為(-0.02, 0.5, 0)。潛艇無攻角, 左、右面分別為速度入口和壓力出口, 其余4個側面為壓力邊界條件, 潛艇表面為無滑移邊界條件。

將模型運用到Linux系統(tǒng)中的開源軟件Gerris進行計算。

圖2 潛艇流場的計算域圖

2 計算結果與分析

2.1 流場分析

沒有施加電磁力的潛艇流場如圖3所示。從圖中等渦量面的分布可看出, 艇身壁面有渦產生, 圍殼下游也有較為密集的渦生成和脫體, 潛艇尾艉部也有渦結構出現(xiàn)。這些渦的生成和脫體會導致潛艇的振動。

圖3 潛艇流場示意圖(A=0, t=45)

利用電磁力可改變流體邊界層結構, 實現(xiàn)對邊界層結構的優(yōu)化控制[14]。在分析潛艇流場三維結構特征的基礎之上, 對電磁力的分布進行調整, 從而最大程度地實現(xiàn)減阻、減振和降噪等控制目的。由于潛艇艉部施加電磁力后整體效果不佳, 文中計算和分析了對3個位置(半球形艏部與艇身的結合處、圍殼頂蓋、圍殼側表面)包覆電磁力的控制效果。

對3個位置分別施加流向電磁力, 流場在計算時間=8左右趨于穩(wěn)定, 從=15開始施加電磁力。

=1時加以電磁力后的潛艇流場等渦量面如圖4所示, 當=1.5時, 艇身壁面上的渦已被抑制, 認為施加=1.5的電磁力已達到目標效果。同理,=2時, 對比加力前與不同電磁力作用系數(shù)的流場, 認為原不加力流場中紊亂的渦在施加=1.5的電磁力后被抑制, 抑制效果明顯, 如圖5所示, 圍殼蓋后尾渦被抑制為線狀渦, 則取= 1.5即可達到目標效果。=3時, 流場圖如圖6所示, 等渦量面在電磁力施加前后無明顯變化, 此時取=1.5進行分析, 圍殼靠近艇身部分有較長線狀渦, 圍殼尾渦等渦量面被較高抬起, 潛艇尾部等渦量面對比其他包覆參數(shù)的線狀渦更長, 沒有達到抑制效果。

圖4 t=45時刻下電磁包覆參數(shù)A=1的潛艇繞流流場圖

圖5 t=45時刻下電磁包覆參數(shù)A=2的潛艇繞流流場圖

從流場圖中來看, 對潛艇這3個位置施加電磁力, 在圍殼頂蓋部分施加電磁力作用系數(shù)= 1.5時, 流場圖中不規(guī)則形狀的渦變成了線狀渦, 對抑制渦及其脫落有顯著效果, 反映出直航情況下在整個流場中生成的渦主要由圍殼頂蓋產生。

2.2 受力分析

定義受力系數(shù)

圖7 4種情況下受力系數(shù)隨時間的變化曲線

=1情況下, 阻力系數(shù)在1.29×10–3~2.14×10–3范圍內波動, 偏航力系數(shù)在–2.45×10–3~1.46×10–3之間波動, 俯仰力系數(shù)在–1.44×10–3~ –5.15×10–3之間波動; 對比不加力的情況, 俯仰力系數(shù)曲線及偏航力系數(shù)曲線值域縮減最為明顯。

=2情況下, 阻力系數(shù)維持在1.35×10–3附近, 偏航力系數(shù)在–6.93×10–4上下有微小波動, 俯仰力系數(shù)圍繞–7.67×10–4微小波動, 加力流場穩(wěn)定后曲線都近乎平緩。

=3情況下, 圖中波動幅度減少不明顯,=30~50時阻力系數(shù)在1.26×10–3~2.11×10–3值域內波動, 對比不加力情況變化不大; 偏航力系數(shù)在–1.47×10–3~2.56×10–3之間波動, 如圖7(d), 加力后曲線略有上升趨勢; 俯仰力系數(shù)在–9.53×10–4~–2.59×10–4之間波動, 變化不大, 略有上升趨勢。加電磁力后流場中圍殼尾渦被抬起, 偏航力俯仰力隨之變化, 俯仰力系數(shù)曲線偏航力系數(shù)曲線上升。

考慮到加力之后流場的穩(wěn)定情況, 取計算時間=30~50進行數(shù)據(jù)處理, 將其數(shù)值進行分析比較。

流體的粘性在潛艇表面形成的邊界層使得潛艇阻力增大, 流體在電磁力的作用下加速, 邊界層的結構因此而改變, 流體與潛艇的相互作用也發(fā)生了改變, 因此電磁力作用后潛艇阻力減少。從圖8得知: 分別對3個位置施加合適作用系數(shù)的電磁力之后阻力均值皆有減少, 圍殼頂蓋加力時阻力減少了21.97%, 減少率最大。

圖8 受力系數(shù)均值減少率

受力系數(shù)波動減少率如圖9所示。=1情況下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波動分別比不加力的情況下減少了3.78%、17.25%和13.43%。

圖9 受力系數(shù)波動減少率

圍殼頂蓋施加電磁力作用系數(shù)=1.5情況下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波動分別比不加力的情況下減少了99.94%、99.75%和94.63%。橢圓柱形圍殼的側表面施加電磁力情況下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波動分別比不加力的情況下減少了17.43%、33.26%和56.04%。對比圖7, 圍殼頂蓋部分施加電磁力作用系數(shù)=1.5后受力系數(shù)曲線無明顯起伏, 潛艇受力相對穩(wěn)定, 潛艇航行穩(wěn)定性增加。偏航力有較大幅度的波動, 施加電磁力后仍是。圍殼蓋加力后流場穩(wěn)定后渦無振蕩, 都是線狀渦, 圖7中, 阻力系數(shù)曲線、偏航系數(shù)曲線及俯仰力系數(shù)曲線皆無波動?？芍? 渦的振蕩體現(xiàn)到受力即是阻力、升力等的振蕩。

加力之后阻力的波動均有減少, 其中圍殼頂蓋加力后阻力的波動被抑制, 受力更加穩(wěn)定。在圍殼頂蓋施加合適的電磁力能有效抑制住圍殼尾部渦的產生和脫落。而整個圍殼側表面加力時的受力沒有大幅波動, 波動減少率比半球形頭部與艇身的結合處加力的減少率值要大一些, 可見圍殼后尾渦的不穩(wěn)定脫落是潛艇受力不穩(wěn)定的主要因素。

3 結束語

文中基于類潛艇模型, 通過有限體積法對電磁控制下的直航潛艇流場衍變和受力特性進行了分析, 對潛艇局部加以電磁力控制, 對渦的生成與脫落都起到了一定程度的抑制作用, 消除該局部繞流流場結構對整個流場的影響。分別在潛艇的不同位置施加電磁力后, 改變了其周圍的邊界層結構, 受力分量中阻力都有所減小且力的波動也被抑制。潛艇指揮臺圍殼對潛艇繞流流場影響最大, 潛艇圍殼頂蓋包覆的局部電磁力比半球形艏部與艇身的結合處及圍殼側表面的局部電磁力有更好的消渦減阻降噪效果。文中所做研究僅對直航情況下的潛艇繞流流場進行了計算分析, 后續(xù)會進一步對不同攻角下的繞流流場進行研究。

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Optimization Effect of Lorentz Force on Local Perturbation of Flow Field around Submarine

ZHANG Fei1, LIU Zong-kai2, ZHOU Ben-mou1, LI Jun-wei1

(1. Science and Technology on Transient Physics Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Advanced Launch Collaborative Innovation Center, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

While a submarine navigates underwater, the drag against submarine increases for the reasons such as flow separation and boundary layer transition near the wall, which are resulted from fluid viscosity. Meanwhile, massive vortices appear in the flow field accompanied by abnormal vortex shedding. Based upon the viscous incompressible Navier-Stokes equation, this study employs the finite volume method to numerically simulate the submarine’s flow field with=107. The flow field and the force evolution on the submarine are analyzedrespectively under the conditions of=1,=2, and=3, where electromagnetic force(Lorentz force) is applied for flow field control. The results show that the vortices on the hull are effectively suppressed when the Lorentz force is applied to the junction of the hemispherical forebody and midbody(=1,=1.5). Applying Lorentz force to the top of fin(=2,=1.5) can effectively suppress the vortex shedding, and greatly reduce the drag force(horizontal component of force).Therefore, appropriate utilization of Lorentz force for controlling the boundary layer flow of the fin may efficaciously suppress the formation of irregular vortices and their shedding, and reduce flow noises, hence improve the stealth and the dynamic performance of a submarines. This study may provide a reference for optimization of submarine flow field.

submarine; flow field around submarine; Lorentz force; vortex

張菲, 劉宗凱, 周本謀, 等. 電磁力對潛艇繞流流場局部擾動優(yōu)化效果[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(1): 14-19.

TJ67; O361

A

2096-3920(2019)01-0014-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.003

2018-09-19;

2018-10-25.

國家自然科學基金項目資助(11702139); 南京理工大學先進固體激光工業(yè)和信息化部重點實驗室開放基金(3091801 4115-009).

張 菲(1994-), 女, 碩士, 主要研究為電磁流體力學方向.

(責任編輯: 許 妍)