附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響

柏鐵朝，盧錦國

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響

柏鐵朝，盧錦國

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

針對SUBX潛艇模型，采用數(shù)值計算手段，開展附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響分析。計算表明，附體導(dǎo)致潛艇粘壓阻力的顯著增加，以及伴流場不均勻性的產(chǎn)生。穩(wěn)定翼對槳盤面半徑內(nèi)伴流場不均勻性的影響較大，而指揮室圍殼主要影響槳盤面半徑外伴流場不均勻性。從降低阻力和改善伴流場角度考慮，需開展附體外形、位置及與主艇體連接形式的深入研究。

附體;潛艇;阻力;伴流場

0 引言

阻力性能和伴流場性能一直是潛艇水動力研究的熱點，20世紀(jì)50-60年代，大量的模型試驗證明了“水滴形”外形是阻力性能最優(yōu)主艇體線型。然而，對于附體對潛艇的阻力及尾流場的影響程度、范圍和特點分析，由于保密等原因，鮮見較為完整的分析報告。20世紀(jì)90年代，美國泰勒水池 (DTRC）研究人員對SUBOFF潛艇模型進行了大量的風(fēng)洞和水池實驗，提供了包括速度、壓力、艇體六分力和雷諾應(yīng)力在內(nèi)的大量水動力和流場數(shù)據(jù)［1］，得出了一系列的結(jié)論。國內(nèi)外許多專家針對該模型進行了數(shù)值計算［2～4］，這些工作主要集中在對CFD代碼的驗證，取得了豐碩的成果。也有文獻［5-6］采用SUBOFF為計算對象，分析附體對潛艇阻力和尾部伴流場的影響。但是，上述工作存在一些不足:首先，SUBOFF模型是一個較簡單潛艇模型，其附體相對于主艇體來說尺度太小;另外，SUBOFF模型沒有上層建筑結(jié)構(gòu)，這與一般潛艇外形不符。因此，針對SUBOFF潛艇模型的數(shù)值計算分析，對指導(dǎo)潛艇設(shè)計意義有限。

螺旋槳工作部位的流場不均勻性是產(chǎn)生螺旋槳葉頻離散輻射噪聲的決定性因素之一，也是影響潛艇臨界航速的重要因素。為分析附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響特點和程度，本文以SUBOFF為母型進行改變，稱為SUBX模型。主要變化如下:

1）主艇體長寬比變小;

2）增加了上層建筑和圍殼舵;

3）圍殼相對于主艇體的幾何比例增大，相對位置也有所變化;

4）尾部線型進行了修改;

5）穩(wěn)定翼特性進行了較大修改。

改變后，SUBX模型的外形、主附體相對比例及位置與國外先進的常規(guī)潛艇，如“基洛”級、“阿穆爾”級、212A級更加接近。在此基礎(chǔ)上，開展?jié)撏Ц鞲襟w對阻力及尾部伴流場的影響分析。

1 計算模型

SUBX的主尺度見表1，三維外形如圖1所示。

圖1 SUBX模型外形圖Fig.1 Outline of SUBX model

表1 SUBX模型主要幾何參數(shù)Tab.1 Themain geometric parameters of SUBX model

關(guān)于全附體潛艇模型繞流場數(shù)值計算的計算方法和計算精度，國內(nèi)外已有大量文獻［7-9］進行介紹，作者也進行了較多的計算［10］，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，已經(jīng)形成成熟的數(shù)值計算手段。因此，可認(rèn)為本文采用的數(shù)值計算方法得到的結(jié)果是有效的。

2 理論模型

2.1 控制方程

時均化后不可壓縮流體的連續(xù)性方程與動量方程為［11］:

2.2 湍流模式

根據(jù)相關(guān)文獻［7］建議及作者的實際經(jīng)驗［10］，本文采用SST k-ω模式作為數(shù)值計算的湍流模式。相比于目前一些二方程湍流模式常采用壁面函數(shù)法，在k-ω模型中，對近壁面采用的是近壁模擬方法，實踐證明該方法具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性和精度［12］，但近壁模擬方法相比于壁面函數(shù)法對近壁網(wǎng)格密度的要求更高。k方程和ω方程的表達式［7］如下:

其中:Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gω為ω方程;Γk和Γω分別為k和ω的有效擴散項;Yk和Yω分別為k和 ω的發(fā)散項;Dω為正交發(fā)散項;Sk和Sω由用戶自己定義。

3 數(shù)值模擬

3.1 坐標(biāo)系及計算域

設(shè)定中縱剖面與基面的交線為x軸，指向艇尾為正方向;橫剖面與基面的交線為y軸，指向右舷為正方向;中縱剖面與橫剖面的交線為z軸，向上為正方向。

考慮到潛艇繞流場關(guān)于中縱剖面對稱，因此計算域取繞流場一半，以此減少計算域體積及計算網(wǎng)格。計算域為一半圓柱體區(qū)域 (見圖2），其邊界范圍如式(5）所示。

圖2 計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of computational field

3.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM CFD軟件對計算模型進行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在艇體首部，指揮室圍殼和穩(wěn)定翼附近的前后區(qū)域、艇體尾流區(qū)域這些位置，流體的速度和壓力變化較為劇烈，這些區(qū)域網(wǎng)格需要加密;在艇體表面，布置稠密的網(wǎng)格邊界層，保證計算時近壁面y+＜30，如圖3和圖4所示。整個計算域網(wǎng)格量為800萬。

圖3 全附體模型表面網(wǎng)格分部Fig.3 Surface grid distribution of full appendagesmodel

圖4 圍殼區(qū)域網(wǎng)格分部Fig.4 Grid distribution of sail zone

3.3 邊界條件

1）入口處及計算域外圓周邊界采用速度入口邊界條件，給定來流在x方向上的速度vx=3 m/s，進口處流體的湍流特性設(shè)定按照文獻 ［11］給出的公式設(shè)定;

2）出口處為壓力出口邊界條件;

3）艇體表面為固壁邊界條件，近壁區(qū)默認(rèn)為近壁模擬法;

4）計算域?qū)ΨQ面設(shè)定為對稱邊界條件。

3.4 數(shù)值解算方法

計算采用直接求解三維粘性不可壓RANS方程的方法，使用有限體積法對流域進行離散，擴散項使用中心差分格式，對流項采用二階迎風(fēng)格式，流場數(shù)值解法采用Simplec算法。

4 計算結(jié)果及分析

為分析附體對潛艇阻力性能及尾部伴流場的影響，本文進行了詳細(xì)的拆附體數(shù)值計算，共計6個計算模型方案 (見表2）。

表2 計算模型方案Tab.2 Example of calculationmodels

4.1 附體對潛艇阻力性能的影響

從圖5可以看出，6個計算模型的摩擦阻力系數(shù)Cf基本一致，說明增減附體的設(shè)置對潛艇的摩擦阻力系數(shù)Cf影響很小。但附體的設(shè)置對潛艇的粘壓阻力系數(shù)Cv影響很大，且SUBX模型中對粘壓阻力系數(shù)貢獻最大的部分依次是:圍殼、穩(wěn)定翼、圍殼舵、主艇體、上層建筑。其中，全附體 (full）模型粘壓阻力系數(shù)Cv是裸艇體 (bare hull）模型的粘壓阻力系數(shù)Cv的6倍，且在全附體模型中粘壓阻力占總阻力的比例達到了32%。

圖5 Re=1.3×107時計算模型的阻力系數(shù)情況Fig.5 Coefficient of the resistance of calculation model under

4.2 附體對潛艇尾部伴流場的影響

對于流場不均勻性的特征參數(shù)可用極差相對不均勻度來進行衡量，極差計算如下:

圖6～圖9為6個計算模型在槳盤面處x方向的速度分布。表5是各附體在槳盤面處對螺旋槳軸向速度周向不均勻性造成的影響。計算表明:

1）附體是造成槳盤面處伴流場軸向速度周向不均勻性的根源，并且，附體對槳盤半徑內(nèi)的伴流場不均勻性的影響程度比槳盤半經(jīng)外大;

2）各附體對伴流場不均勻性的影響區(qū)域不同。上層建筑、指揮室圍殼及圍殼舵僅對伴流場上半部分的速度場有重要影響，而穩(wěn)定翼則對整個伴流場存在影響?？梢?，對伴流場不均勻性的影響與附體布置位置密切相關(guān);

3）穩(wěn)定翼是造成伴流場不均性的主要原因。但是，穩(wěn)定翼對槳盤面半徑內(nèi)伴流場不均勻性的影響程度比半經(jīng)外大，從79%下降到55%;

4）指揮室圍殼是造成伴流場不均性的重要原因，指揮室圍殼對槳盤面半徑外伴流場不均勻性的影響程度比半經(jīng)內(nèi)大，從27%增加到75%;

圖6 r'=0.7時槳盤面處v'x分布Fig.6 Distribution in wake of propeller region at r'=0.3

圖7 r'=0.5時槳盤面處v'x分布Fig.7 Distribution in wake of propeller region at r'=0.5

圖8 r'=0.7時槳盤面處v'x分布Fig.8 Distribution in wake of propeller region at r'=0.7

圖9 r'=0.9時槳盤面處v'x分布Fig.9 Distribution in wake of propeller region at r'=0.9

5）本次計算模型中，從計算結(jié)果來看，圍殼舵反而改善了伴流場的不均勻性，關(guān)于圍殼舵對尾部伴流場的影響，目前鮮見相關(guān)文獻進行專門的研究，因此該現(xiàn)象值得進一步探討研究;

6）上層建筑對尾部伴流場不均勻性的影響較為穩(wěn)定。

表3 不同方案軸向速度周向不均勻性對比Tab.3 Contrast of computation models for circumferential flow irregularity of axial velocity

5 結(jié)論及展望

本文針對SUBX潛艇模型的附體對阻力和尾部伴流場的影響開展了詳細(xì)的計算，得到附體對潛艇阻力及尾部伴流場影響的結(jié)論如下:

1）阻力方面。鑒于摩擦阻力系數(shù)Cf主要是和濕表面積有關(guān)，濕表面積主要由主尺度決定，由于潛艇主尺度很大程度上由總布置決定，那么降低潛艇阻力的重點研究方向應(yīng)該是降低其粘壓阻力。因此，下一步將深入開展附體外形、位置及與主艇體連接形式的研究，以改善潛艇的阻力性能。

2）尾部伴流場方面。從改善槳盤面半徑內(nèi)伴流場不均勻性角度考慮，可以針對穩(wěn)定翼進行局部優(yōu)化，從改善槳盤面半徑外伴流場不均勻性角度考慮，可以針對指揮室圍殼的外形、位置及與主艇體連接形式對尾部伴流場影響開展深入優(yōu)化研究。

［1］HUANG T T，LIU H L，GROVESN C，et al.Measurement of flows over an axisymmetric body with various appendages［C］.Nineteenth Symposium on Naval Hydrodynamics，Seoul，Korea，August1992.

［2］GORSKI JJ，COLEMAN R M.Use of RANS calculation in the design of a submarine sail［C］//RTO AVT Symposium，Paris France，April2002.

［3］李新汶，陳源，王文綺.CFD在潛艇艉附體與艇體連接形式研究中的應(yīng)用［J］.船舶力學(xué)，2003，7(5）:28-32.

LI Xin-wen，CHEN Yuan，WANG Wen-qi.Application of CFD to junction form of strern appendages［J］.Journal of Ship Mechanics，2003，7(5）:28-32.

［4］DOZIER D，STOUT M，ZOCCOLA M.Advanced sail development［R］.Wavelengths，An Employee Digest of Events and Information，Carderock Division，Naval Surface Warfare Center，2001.15-17.

［5］劉祖源，林小平，周朝輝.潛艇指揮臺位置對水動力的影響研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2006，8(6）:30-33.

LIU Zu-yuan，LIN Xiao-ping，ZHOU Zhao-hui.Study on relative position of submarine sail zone［J］.Journal of Naval University of Engineering，2006，8(6）:30-33.

［6］BRIDGES D H.A detailed study of the flow field of a submarine at large angle drifts［R］.Office of Naval Research，2001.

［7］WILCOX D C.Turbulence Modeling for CFD［M］.DCW Industries，1998.

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

QIU Liao-yuan.Numerical simulation of the viscous flow over the submarine and method research on predicting its vsicous resistance［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2006.

［9］張楠，沈泓萃，姚惠之.潛艇阻力與流場的數(shù)值模擬與驗證及艇型的數(shù)值優(yōu)化研究［J］.船舶力學(xué)，2005，9(1）:1-13.

ZHANG Nan，SHEN Hong-cui，YAO Hui-zhi.Validation of numerical simulation on resistance and flow field of submarine and numerical optimization of submarine hull form［J］.Journal of Ship Mechanics，2005，9(1）:1-13.

［10］柏鐵朝，梁中剛，周軼美，敬軍.潛艇操縱性水動力數(shù)值計算中湍流模式的比較與運用［J］.中國艦船研究，2010(2）:22-28.

BAI Tie-chao，LIANG Zhong-gang，ZHOU Yi-mei，JING Jun.Comparison and application of turbulence modes in submarine maneuvering hydrodynamic forces computation［J］.Chinese Journal of Ship Research，2010(2）:22-28.

［11］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

WANG Fu-jun.Computational fluid dynamics analyses［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2004.

［12］WILCOX D C.C?nada L.Turbulence Modeling:An Overview［C］.AIAA2001-0724，AIAA 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，Reno，NV，2001.8-11.

Analysis of the impact of appendages on submarine resistance and wake flow field

BAITie-chao，LU Jin-guo
(China Ship Research and Design Center，Wuhan 430064，China）

The numerical simulations of viscous flow field around the submarinemodel named SUBX were performed to analyze the impact of appendages on resistance and wake flow field.The conclusion shows up that the appendages greatly increase the viscous pressure resistance，and induce the uneven wake flow field.Especially，the unevenness of the wake flow inside the propeller radius is induced by fins，and the sail mainly disturbs the wake flow outside the propeller radius.The further study for the purpose of reducing resistance and unevenness ofwake flow should be devoted to improve the shape and allocation of appendages and conjunction between appendages and hull.

appendages;submarine;resistance;wake flow

U674.76;U661.1

A

1672-7649(2013）03-0047-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2013.03.010

2012-05-29;

2012-07-04

柏鐵朝(1984-），男，碩士，工程師，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計。