基于STAR-CCM+的潛艇無動力低速下潛受力仿真

張 頻，李 輝，楊 釗

(中國船舶集團有限公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明 650106)

0 引 言

自二戰(zhàn)以來，水下特種作戰(zhàn)在各國海軍的水下攻防作戰(zhàn)中越來越受到重視。這一作戰(zhàn)方式主要通過微型特種潛艇或蛙人輸送艇將作戰(zhàn)人員隱蔽送至敵方港口、海上經(jīng)濟設施等重要目標并對其實施偵察破襲等任務[1]，曾多次在歷史上留下輝煌戰(zhàn)績。在此種作戰(zhàn)方式里，為便于隱蔽，輸送艇的尺寸遠小于常規(guī)潛艇[2]，目前各國用于特種作戰(zhàn)的微型特種潛艇（或蛙人輸送艇）長度一般都較短，搭乘人員為2～8人。

在執(zhí)行上述任務的過程中，特種作戰(zhàn)人員全員離艇前需考慮將艇?？吭诮５椎墓潭ㄎ恢靡员阌谧鲬?zhàn)人員尋艇返回。一個可靠的方法是作戰(zhàn)人員駕乘潛艇航行至目標海底區(qū)域上方，然后通過增減壓載來調節(jié)潛艇的負浮力進行下潛，最終在水下坐底并可借助錨固定。下潛的過程中，潛艇的速度會受到由于自身向下運動而引起的流體動力影響，流體動力產(chǎn)生的縱傾力矩也可能會改變潛艇的姿態(tài)甚至導致失控，對艇內人員造成生命威脅，這需要潛艇在下潛前預設控制好首、尾水艙內的進水量，以平衡下潛時產(chǎn)生的流體阻力及縱傾力矩，維持艇體姿態(tài)穩(wěn)定。

針對潛艇的運動研究，水下實物試驗費用高昂，需要耗費大量人力及物力，計算流體力學技術的快速發(fā)展讓數(shù)值計算模擬在船舶運動及流場分析的研究中得到廣泛應用。Pan等[3]通過拘束模及數(shù)值模擬方法得到了潛艇模型的水動力系數(shù)等參數(shù)；B.PULL[4]比較了全附體潛艇模型分別應用SSTk-ω，Wilcoxk-ω，RANSk-ε三種模型計算流場的結果，認為SSTk-ω模型的計算結果更準確；周廣禮[5]以RANS方法結合SSTk-ω模型對潛艇應急上浮的六自由度運動做了仿真模擬。但目前針對潛艇低速無動力下潛的研究較少，本文將基于STAR-CCM+軟件，對潛艇在穩(wěn)態(tài)條件下以不同縱傾角垂直下潛時的受力進行仿真，分析艇體在穩(wěn)態(tài)過程中受到的流體動力及流體動力矩，可借此提供微型特種潛艇在下潛過程中首、尾壓載調節(jié)的參考。

1 數(shù)值方法及研究對象

1.1 控制方程及湍流模型

直接數(shù)值模擬法（Direct Numerical Simulation,DNS）是最為基本的湍流研究方法，但計算量非常大，會占用大量計算成本。本文采用雷諾平均法（Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS）模擬求解潛艇在穩(wěn)態(tài)條件下的流場，湍流模式選用SSTk-ω湍流模型，方程的詳細推導過程參見文獻[6]。

1.2 仿真對象

SUBOFF為美國國防預研規(guī)劃署（DARPA）和大衛(wèi)·泰勒研究中心（DTRC）設計的潛艇試驗模型，本文選用其中帶有指揮圍殼和4個尾翼的AFF-8全附體潛艇模型為研究對象。

該潛艇模型分前中后3段，分別長1.016 m，2.229 m，1.111 m，中段上方有一指揮圍殼，圍殼上部有一外凸形頂蓋，4個尾翼截面為NACA0020翼型，呈十字型分布在尾部，基本幾何參數(shù)見表1，其他詳細幾何特征數(shù)據(jù)參見文獻[7]，利用三維制圖軟件繪制幾何模型如圖1所示。

表1 潛艇模型幾何數(shù)據(jù)Tab.1 Geometric data of submarine model

圖1 SUBOFF AFF-8全附體模型Fig.1 The full appendage model of SUBOFF AFF-8

1.3 條件假設

為便于運動仿真求解，對仿真條件做出如下假設：

1）視水為不可壓縮流體；

2）潛艇表面光滑無縫隙；

3）潛艇無動力做穩(wěn)定下潛運動，即水平速度為0，垂向速度恒定。

2 計算域及網(wǎng)格劃分

2.1 計算域尺寸

為了模擬潛艇穩(wěn)態(tài)下潛的流場，進行數(shù)值仿真時需要建立一個合適大小的計算域。由于流動關于潛艇的縱剖面對稱，所以本文只采用一半模型進行模擬，建立計算域尺寸為3L×3L×L，如圖2所示。

圖2 計算域大小和邊界條件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格形式主要選取表面重構、自適應切割體網(wǎng)格及棱柱層網(wǎng)格對計算域及艇體表面進行網(wǎng)格劃分。表面重構可以為潛艇表面生成良好的面網(wǎng)格；切割體網(wǎng)格技術保證了六面體網(wǎng)格的優(yōu)良性；棱柱層網(wǎng)格主要在潛艇近壁面生成貼體網(wǎng)格；同時進一步對計算域中艇所在位置的水平方向和垂直方向上的網(wǎng)格體積細化，圍殼和尾翼的表面和附近區(qū)域也做了網(wǎng)格加密處理，最終生成的網(wǎng)格如圖3，總網(wǎng)格數(shù)約為180萬。

圖3 計算域體網(wǎng)格及艇表面網(wǎng)格Fig.3 Mesh for submarine surface and computation domain

3 方法可行性驗證

為驗證上述方法的可行性，此處參考文獻[5]中的方法，開展處于固定狀態(tài)下的潛艇模型縱傾角在-10°～10°范圍內，前向來流速度U∞=3.34 m/s的水動力仿真計算，間隔角度與試驗[8]一樣取2°，0°附近間隔取1°，計算模型采用前述建立的模型，只相對應地改動邊界條件設置，縱傾角定義首傾時為正，示意圖如圖4所示。

為了便于對比分析，定義潛艇在前向來流時所受到的垂向力系數(shù)、垂向力矩系數(shù)如下[5]：

圖4 前向來流示意圖Fig.4 Sketch for the flow

式中：ZZ′MM′分別為潛艇受到的垂向力、垂向力系數(shù)、縱傾力矩、縱傾力矩系數(shù)；LPP為潛艇垂線間距離，取值為4.261 m。

對比仿真與試驗的結果如圖5所示，試驗值由文獻[8]的報告圖中讀出，可能存在少許讀數(shù)誤差。從圖5可以看出兩者結果較為接近，計算誤差在可接受范圍內。因此下面繼續(xù)做潛艇在穩(wěn)態(tài)下潛狀態(tài)下的仿真計算。

圖5 垂向力系數(shù)及縱傾力矩系數(shù)仿真值與試驗對比Fig.5 Comparison of simulation values and test values of vertical force coefficient and trim moment coefficient

4 穩(wěn)態(tài)下潛受力仿真

4.1 仿真條件

執(zhí)行特種任務的微型特種潛艇或蛙人輸送艇與常規(guī)潛艇不同之處除了尺寸大小不一致外，還有特種艇在執(zhí)行特種任務中需下潛停泊在近海底，這一過程下潛的速度不能過快，以避免潛艇一頭“扎”進海底導致艇無法再離底返回或對艇結構造成損傷，同時還可以保障艇內人員安全。

本文主要是對潛艇以不同縱傾角在不同下潛速度下的穩(wěn)態(tài)下潛開展數(shù)值模擬，研究其在穩(wěn)態(tài)下潛過程中受到的垂向阻力及縱傾力矩與縱傾角及下潛速度的關系。

蛙人輸送艇中有一類濕式艇，艇內人員處于水下開放環(huán)境中，對下潛速度要求不超過15 m/min即0.25 m/s。所以仿真計算取3種大小的速度，分別為0.25 m/s，0.5 m/s和1 m/s。而潛艇尾部有易損附體，為了保護尾部結構，一般選擇首傾下潛，所以這里仿真計算縱傾角范圍取-2°～8°，間隔 2°, 2°附近間隔取 1°。

4.2 結果分析

假定潛艇做穩(wěn)態(tài)下潛，在仿真中模型固定不動，即相對而言潛艇受到垂向均勻來流，仿真得到的垂向阻力及縱傾力矩結果如圖6和圖7所示。從圖中可以看出潛艇受到的垂向力隨下潛速度的增加而增加，下潛速度不變時，縱傾角在-2°～8°范圍內小幅度增減對垂向力的大小無太大影響，但其受到的縱傾力矩變化較大?？芍獫撏г诜€(wěn)態(tài)下潛中，水艙注排水要注重調節(jié)縱傾力矩，以免對控制造成不利影響，尤其是潛艇實物在下潛時受到的力及力矩會更大，所以在控制中更應注意注首、尾排水量的調節(jié)。

圖6 不同速度、縱傾角下的垂向力Fig.6 Vertical forces at different speeds and trim angles

圖7 不同速度、縱傾角下的縱傾力矩Fig.7 Trim moment at different speeds and trim angles

潛艇以0°縱傾角狀態(tài)在不同速度下潛時受到的力矩均為正值，即受到的縱傾力矩會造成潛艇有首傾的趨勢，隨著縱傾角的加大，這一力矩會對其產(chǎn)生反作用使其產(chǎn)生尾傾的趨勢來抵消縱傾角繼續(xù)擴大的效果。如果不加以控制，這可能會有一個動態(tài)平衡的過程，但在淺水域內，由于下潛距離較短，潛艇在下潛時還是要控制好首、尾水艙的注水量以調節(jié)流體對其產(chǎn)生的縱傾力矩，從而保持自身的穩(wěn)定狀態(tài)。

將潛艇在下潛過程中受到的垂向力及縱傾力矩無量綱化，結果如圖8和圖9所示。從無量綱化的結果圖來看，垂向的阻力系數(shù)隨著速度的增大而減小，但隨潛艇縱傾角的增大而增大，縱傾力矩系數(shù)的絕對值也隨潛艇首傾時縱傾角的增大而增大。從圖中也可以看出垂向力系數(shù)曲線和縱傾力矩曲線在0°縱傾角附近有明顯波動，說明在此處的數(shù)值模擬可能不夠精確，后續(xù)可以提高網(wǎng)格精度再進行深入分析。

圖8 不同速度、縱傾角下的垂向力系數(shù)Fig.8 Vertical force coefficients at different velocities and trim angles

圖9 不同速度、縱傾角下的垂向力矩系數(shù)Fig.9 Vertical moment coefficients at different velocities and trim angles

從前面的分析來看，潛艇縱傾角不變時，下潛速度越大，使?jié)撏Оl(fā)生尾傾的縱傾力矩也越大。圖10為潛艇在8°縱傾角下以3種速度下潛的表面壓力對比，可以看出艇體最大受力點主要集中在艇體下表面，首

圖10 8°縱傾角壓力對比云圖Fig.10 Cloud diagram of pressure contrast at 8° caster Angle

部在橫剖面附近的壓力最小。這是因為此處區(qū)域流速較大，產(chǎn)生了一個相對負壓，使得首段有一部分下表面壓力小于上表面的壓力。雖然水平尾翼下表面與來流幾乎垂直，受力較大，但面積過小，且潛艇尾段較首段細，最終還是會產(chǎn)生一個尾傾的縱傾力矩。

5 結 語

本文基于STAR-CCM+軟件對SUBOFF AFF-8全附體潛艇模型以8種縱傾角姿態(tài)在3個不同速度下的穩(wěn)態(tài)下潛狀態(tài)進行了仿真，得到以下結論：

1）該潛艇模型受到的垂向力隨下潛速度的增加而增加，下潛速度不變時，縱傾角在-2°～8°范圍內小幅度增減對垂向力的大小無太大影響，但其受到的縱傾力矩變化較大，所以潛艇下潛時注排水需著重注意調節(jié)首、尾水艙力矩的平衡；

2）該潛艇模型以0°縱傾角狀態(tài)在不同速度下潛時，受到的力矩均為正值，但也要控制好首、尾水艙的注水量以調節(jié)流體對其產(chǎn)生的縱傾力矩，從而保持自身的穩(wěn)定狀態(tài)。

3）垂向的阻力系數(shù)隨著下潛速度的增大而減小，但隨潛艇縱傾角的增大而增大，縱傾力矩系數(shù)的絕對值也隨潛艇首傾時縱傾角的增大而增大。