潛艇艉舵角度連續(xù)變化流場模擬計算方法研究

王麗麗，全士能，蔡宇峰，桑騰蛟，李新穎

（1.中國特種飛行器研究所，湖北荊門 448035；2.高速水動力航空科學(xué)技術(shù)重點實驗室，湖北荊門 448035）

潛艇在水下航行時的阻力，對潛艇的快速性和續(xù)航力有著重要影響，是評價潛艇綜合航行性能的一項重要技術(shù)指標(biāo)［1-4］。潛艇周圍的流場對潛艇的水動力性能產(chǎn)生直接的影響［5-6］。在潛艇概念設(shè)計階段，利用數(shù)值計算方法精確預(yù)報潛艇流場特性，為水動性能的最佳潛艇設(shè)計方案提供評價依據(jù)［7-8］。

潛艇自航時，圍殼舵以及艉舵不同的角度對流場會產(chǎn)生不同的影響?；跐撏憾娴亩鄠€角度變化，研究不同角度的水動性能［9-10］。本研究基于X型艉舵變化工況多的情況，研究了艉舵角度連續(xù)變化的流場計算方法。

1 網(wǎng)格生成

1.1 研究對象

本研究對象是帶有十字形艉舵的潛水艇，如圖1所示。艉舵中的1舵與4舵沿著各自的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，艉舵在旋轉(zhuǎn)過程中，舵的后緣向上為正。計算工況如表1所示，1舵與4舵同時聯(lián)動，總共有36個工況?；隰憾娴亩嘟嵌茸儞Q，本文利用STAR-CCM+軟件，實現(xiàn)對9個角度流場的連續(xù)模擬。

圖1 研究對象Fig.1 Research object

表1 計算工況Tab.1 Calculation condition

在CATIA中，1舵、4舵與潛艇不動體（簡稱潛艇母體）之間需要有一定的距離，本次模型保留的是5 mm，如圖2所示。

圖2 舵與潛艇母體示意圖Fig.2 Rudder and submarine matrix

將1舵與4舵沿著各自的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到30°的位置。在CATIA中分別輸出3個igs模型，分別為潛艇母體、轉(zhuǎn)了30°的1舵、轉(zhuǎn)了30°的4舵，模型分別命名為MuTi.igs、1duo.igs、4duo.igs。

將3個igs模型，分3次導(dǎo)入到STAR-CCM+軟件中的part中。

1.2 創(chuàng)建虛擬水池

在STAR-CCM+軟件中，創(chuàng)建3個域，分別為計算域、1舵的域、4舵的域，并命名為back、over-1-duo、over-4-duo。

此時需注意over-1-duo、over-4-duo必須分別包含1舵、4舵的全部，并且兩個小域與兩個舵之間的最小距離應(yīng)該包含5層網(wǎng)格，否則會出現(xiàn)如圖3所示的錯誤。

圖3 域太小的錯誤提示Fig.3 Field too small error

back為計算域，考慮到只有右邊兩個舵轉(zhuǎn)動，此次計算中，采用潛艇整個模型進(jìn)行計算。

此時over-1-duo、over-4-duo沒有公共空間，并且不包含MuTi模型，如圖4所示。分別將3個模型與3個對應(yīng)的域進(jìn)行布爾運(yùn)算，并命名為virtual、overset-1、overset-4，然后分別分配到Region中。

圖4 域局部示意圖Fig.4 Local schematic diagram of domain

1.3 邊界條件

虛擬水池Virtual有2種邊界類型：（1）出口out為壓力出口，設(shè)為Pressure Outlet；（2）計算域其余5個面為速度入口，設(shè)為Velocity Inlet。

邊界條件的設(shè)置關(guān)鍵是，overset-1、overset-4的邊界全部采用重疊網(wǎng)格類型。

隨1舵一起旋轉(zhuǎn)的小域overset-1只有1種邊界類型，為重疊網(wǎng)格類型，設(shè)為overset mesh。

隨4舵一起旋轉(zhuǎn)的小域overset-4只有1種邊界類型，為重疊網(wǎng)格類型，設(shè)為overset mesh。

在初始條件Initial Conditions中主要對Velocity進(jìn)行設(shè)置。將Velocity-＞Value中X方向速度設(shè)置為-0.51 m/s，其余參數(shù)為0。

1.4 網(wǎng)格交界面

Virtual分別與overset-1、overset-4創(chuàng)建重疊網(wǎng)格交界面，分別命名為overset mesh1、overset mesh4。重疊網(wǎng)格采用線性交換的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在overset mesh1、overset mesh4的屬性窗口中選擇3個屬性，分別為close proximity、alternate hole cutting、overlap volume calculation。這三個屬性若不選擇，初始化時會出現(xiàn)圖5所示的錯誤。

圖5 重疊網(wǎng)格錯誤提示Fig.5 Overlapped grid error prompt

1.5 網(wǎng)格劃分

在Geommetry-＞Operations中分別建立3個Automated Mesh對3個域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型選擇Surface Remesher、Trimmed Cell Mesher、Prism Layer Mesher。這種網(wǎng)絡(luò)按照常規(guī)重疊網(wǎng)格尺寸劃分即可。

2 物理設(shè)置

2.1 局部坐標(biāo)系

在計算過程中，潛艇母體靜止，1舵與4舵沿著各自的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，此時需要建立1舵與4舵的局部坐標(biāo)系，分別命名為zhou-1-duo、zhou-4-duo。

在Tools-＞Coordinate Systems-＞Laboratory-＞Local Coordinate Systems中分別建立1舵與4舵的局部坐標(biāo)系。以1舵為例介紹局部坐標(biāo)系建立過程，如圖6所示，分別在旋轉(zhuǎn)軸上找到兩個點，O點在母體與旋轉(zhuǎn)體之間，A點在旋轉(zhuǎn)軸的外側(cè)。兩個點的坐標(biāo)如表2所示。

圖6 1舵三維圖Fig.6 3D drawing of 1 rudder

表2 關(guān)鍵點坐標(biāo)Tab.2 Key point coordinates

在Tools-＞Coordinate Systems-＞Laboratory-＞Local Coordinate Systems中右擊選擇New-＞Cartesian，在彈出的窗口中輸入原點及X軸，如圖7所示，其中XAxis Direction輸入的是矢量OA的值。新建立的局部坐標(biāo)系命名為1#-system。

圖7 局部坐標(biāo)系Fig.7 Local coordinate system

2.2 角速度變化表

1舵與4舵需要監(jiān)測的角度分別為-30°、-18°、-9°、-3°、0°、3°、9°、18°、30°等9個角度，舵的后緣向上為正。建立如表3所示的角速度變化表12#3.csv。每個角度穩(wěn)定時間是3 s，角度變化時間是1 s。在Tools-＞Tables中讀取12#3.csv。右擊Tools-＞Tables選擇New Table-＞File Table，找到12#3.csv文檔，打開即可。

表3 角速度變化表Tab.3 Angular velocity change table

舵的角度及計算結(jié)果需要取值的時間表如表4所示。

表4 取值時間表Tab.4 Value schedule

2.3 旋轉(zhuǎn)屬性設(shè)置

分別設(shè)置1舵與4舵的旋轉(zhuǎn)屬性，并命名為Rotation-1、Rotation-4。

右 擊Tools-＞Motions，選 擇New-＞Rotation。在Rotation-＞Properties屬性窗口中設(shè)置如圖8所示的屬性。其中Axis Direction中選擇X軸，Axis Origin選擇原點，Coordinate System選擇新建立的局部坐標(biāo)系，Rotation Rate是基于CCM編寫的程序代碼，如圖9所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)屬性Fig.8 Rotation properties

圖9 程序代碼Fig.9 Program code

2.4 局部旋轉(zhuǎn)設(shè)置

對1舵、4舵的小域overset-1、overset-4分別設(shè)置局 部 旋 轉(zhuǎn)。在Regions-＞overset-1-＞Physics Values-＞Motion Specification的屬性中motion選擇Rotation-1。同理設(shè)置overset-4。

3 可視化和數(shù)據(jù)分析

3.1 水動性能監(jiān)測曲線

創(chuàng)建阻力監(jiān)測報告。右擊Report-＞New Report-＞Force；將新創(chuàng)建的Force1重命名為Fx；將Properties中的Direction設(shè)為［1，0，0］，F(xiàn)orce Option選擇pressure+shear，Parts選擇3個模型，分別為1舵、4舵、潛艇母體，如圖10所示。

圖10 阻力的三個模型Fig.10 Three models of resistance

升力Properties中的Direction設(shè)為［0，1，0］，力矩的轉(zhuǎn)軸為Y軸，作用點為原點O。

3.2 觀察計算結(jié)果

圖11顯示了隨時間變化的阻力、升力以及力矩。監(jiān)測值的穩(wěn)定時間段是3 s，監(jiān)測值的變化時間是1 s，監(jiān)測曲線中有9段穩(wěn)定區(qū)間，35s后角度一直在30°，監(jiān)測值一直穩(wěn)定，沒有再出現(xiàn)波動值。

圖11 計算結(jié)果監(jiān)測曲線圖Fig.11 Monitor Plot of Total Drag

4 結(jié) 論

本研究基于STAR-CCM+軟件對潛艇艉舵角度連續(xù)變化的計算方法進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）本算法可以用來計算潛艇艉舵角度連續(xù)變化的流場，為潛艇艉舵不同角度的水動性能研究提供了高效的計算方法。

（2）本算法適用于研究圍殼舵不同角度的水動性能。

（3）本算法適用于4個艉舵單個或多個同時旋轉(zhuǎn)的水動性能研究，為工程應(yīng)用提供了簡單高效、操作方便的計算方法，適用于推廣到工程應(yīng)用中。