杜 波 黃建偉 陳 源

武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064

潛艇指揮室圍殼頂部型線構(gòu)型

杜 波 黃建偉 陳 源

武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064

采用求解RANS方程的數(shù)值計(jì)算方法，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)不同的指揮室圍殼頂部外型進(jìn)行阻力、流場(chǎng)、壓力分布數(shù)值模擬及數(shù)值優(yōu)化分析，并驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

CFD 潛艇 圍殼頂部型線 數(shù)值優(yōu)化

潛艇指揮室圍殼是潛艇標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代潛艇執(zhí)行水面航行、離靠碼頭、收發(fā)信息、實(shí)施觀測(cè)和指揮的重要部位，它包括耐壓指揮臺(tái)、通訊室、多種升降裝置、水面航行操縱和指揮部位等。圍殼作為潛艇的最大附體，它將對(duì)艇體阻力、水動(dòng)力噪聲以及艇的水下操縱特性帶來(lái)較大影響，尤其是圍殼的尾流將影響艇體尾部推進(jìn)器處伴流場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性，進(jìn)而增加推進(jìn)器的噪聲。因此盡力減小圍殼尺寸，優(yōu)化圍殼型線，減少圍殼帶來(lái)的不利影響，是各國(guó)潛艇設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。

指揮室圍殼的型線，與周圍流場(chǎng)湍流脈動(dòng)壓力分布和尾渦發(fā)放的特性有關(guān)。從水動(dòng)力原理研究出發(fā)，指揮室圍殼型線研究主要分為圍殼外形和圍殼與艇體的連接形式兩個(gè)方面。因?yàn)閲鷼ね庑斡绕涫乔熬壡拾霃胶妥畲蠛穸鹊奈恢脤?duì)圍殼本身的流噪聲和馬蹄形渦的大小、強(qiáng)度和位置都有影響。而圍殼與艇體的連接形式主要是對(duì)圍殼前緣流動(dòng)分離現(xiàn)象和抑制馬蹄形渦的形成有影響［1］。

基于RANS方程中的RNGk—ε湍流模型［2-3］，分析3種不同圍殼頂部型線阻力及周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

1 數(shù)學(xué)模型

1．1 控制方程

不可壓縮流體連續(xù)性方程與RANS方程的張量形式為

式中：ρ——流體密度；

μ——流體的動(dòng)力粘度；

ˉui——時(shí)均速度；

ui′——脈動(dòng)速度；

ˉFi——體積力；

ρui′uj′——雷諾應(yīng)力張量。

1．2 湍流模型

比較實(shí)用的湍流模型是標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型和雷諾應(yīng)力模型，根據(jù)大量計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于全附體潛艇，采用RNGk—ε湍流模型［3］。

1．3 研究對(duì)象和計(jì)算域

1．3．1 模型尺寸

總長(zhǎng)度L＝4．51 m， 圍殼寬度b＝0．11 m，最大寬度B＝0．45 m，圍殼高度h＝0．26 m，圍殼長(zhǎng)度l＝0．66 m，圍殼距艇首＝0．94 m。

坐標(biāo)軸在艇首中部，x沿艇長(zhǎng)方向，y沿艇寬方向，z沿艇高方向。

求解區(qū)域?yàn)橐粓A柱體，進(jìn)口至首部的距離設(shè)為6L，上下邊界至主體水平對(duì)稱軸線距離為22B，出口至尾部距離設(shè)為11L，此時(shí)出口對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)影響甚微，可視為無(wú)窮遠(yuǎn)壓力出口。一般三維幾何體外流場(chǎng)的計(jì)算采用逐層加密網(wǎng)格，本研究采用兩層圓柱加密區(qū)域，內(nèi)層圓柱網(wǎng)格尺度為2 000，外層圓柱網(wǎng)格尺度為20 000，總網(wǎng)格數(shù)為109萬(wàn)，形式為多塊非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。流域及其網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1、2。

圖1 潛艇計(jì)算流域圖

圖2 對(duì)稱面上潛艇圍殼附近網(wǎng)格圖

1．3．2 邊界條件

1）入口處速度為無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流速度；

2）壓力出口為無(wú)窮遠(yuǎn)處壓力；

3）壁面為潛艇外表面，速度為零；

4）對(duì)稱面：無(wú)漂角時(shí)，法向速度為零，物理量在對(duì)稱面的法向梯度為零。

1．4 數(shù)值計(jì)算方法

采用有限體積法離散控制方程和湍動(dòng)能方程，采用SIMPLE方法進(jìn)行壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合，對(duì)流項(xiàng)和離散項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)差分格式。

2 指揮室圍殼頂部型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

為集中考察不同指揮室圍殼頂部型線對(duì)其阻力及其流場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)了3種方案不同形式的過(guò)渡方式，每種方式保持圍殼頂部型線指揮室圍殼主尺度不變，頂部過(guò)渡方式不影響總體布置。

2．1 方案1

采用直角連接，無(wú)任何過(guò)渡方式，見(jiàn)圖3。

圖3 圍殼頂部方案1

2．2 方案2

首部和側(cè)面均采用R＝400 mm的圓弧過(guò)渡，見(jiàn)圖4。

圖4 圍殼頂部方案2

2．3 方案3

圍殼首部采用曲線連接過(guò)渡，頂部采用光順曲面，見(jiàn)圖5。

圖5 圍殼頂部方案3

漂角β＝0°，各個(gè)方案阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種方案在β＝0°的阻力計(jì)算值

其中，第3種方案為試驗(yàn)方案，試驗(yàn)阻力系數(shù)為0．324×10—3，阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在3．0%之內(nèi)，充分說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

阻力系數(shù)Ct為

式中：R——總阻力；

s——濕表面積；

v——速度。

雷諾數(shù)Re為

式中：L——艇長(zhǎng)；

ν——水的運(yùn)動(dòng)粘度。

式中：n——方案2、3的阻力系數(shù)，n＝2，3；

R1——方案1的阻力系數(shù)，下類似。

漂角β＝5°，攻角為0，此時(shí)將艇體沿z軸旋轉(zhuǎn)5°，其流域和邊界條件均不變。各個(gè)方案水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種方案在β＝5°的水動(dòng)力計(jì)算值

表中圍殼縱、橫向水動(dòng)力系數(shù)X′、Y′為

式中：Fx、Fy——艇體受到的橫向力、縱向力；

L——艇長(zhǎng)。

從表2中計(jì)算結(jié)果可以看出，針對(duì)該型模型艇，有漂角時(shí)，指揮室圍殼頂部采用圓弧過(guò)渡，可以明顯降低圍殼橫向力和縱向力。無(wú)漂角時(shí)，阻力也可明顯降低。

為了探討縱向力降低原因，從指揮室圍殼縱剖面上的速度矢量分布入手，β＝5°，見(jiàn)圖6、7、8。

圖6 方案1圍殼對(duì)稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

圖7 方案2圍殼對(duì)稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

圖8 方案3圍殼對(duì)稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

從圖6、7、8中可以看出，方案1頂部有明顯的流動(dòng)分離旋渦，造成流動(dòng)分離旋渦的原因是由于存在逆壓梯度［4］。方案2和3頂部速度矢量及其壓力分布明顯要均勻些；方案3分布最均勻，其最低負(fù)壓值也大大減小，基本上抑制了旋渦，有利于減小圍殼頂部的形狀阻力。

有無(wú)漂角工況下，各個(gè)方案圍殼上的壓力云圖及對(duì)稱面上艇體型線上壓力系數(shù)分布的規(guī)律是一致的，見(jiàn)圖9、10、11，β＝0°。

圖9 方案1圍殼壓力系數(shù)分布曲線圖

圖10 方案2圍殼壓力系數(shù)分布曲線圖

方案1圍殼前緣區(qū)域由前緣處的高壓區(qū)迅速過(guò)渡到頂部的一個(gè)方形低壓區(qū)，該區(qū)域壓力變化劇烈，易產(chǎn)生水動(dòng)力噪聲；方案2圍殼前緣區(qū)域壓力變化略微平緩，方案3比前兩種方案要平緩的多，可以減小該部位的水動(dòng)力噪聲［1］。因此，方案3不論從阻力還是水動(dòng)力噪聲方面，均是最優(yōu)的。

圖11 方案3圍殼壓力系數(shù)分布曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用商業(yè)軟件FLUENT對(duì)某潛艇模型的阻力、壓力、速度場(chǎng)進(jìn)行了粘性數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，對(duì)該型潛艇指揮室圍殼的線型進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化研究，合適的指揮室圍殼可以降低潛艇形狀阻力和水動(dòng)力噪聲，在潛艇設(shè)計(jì)應(yīng)用方面有重要的指導(dǎo)意義。

［1］俞孟薩．治理潛艇指揮臺(tái)圍殼噪聲的一些設(shè)想［J］．艦船性能研究，1994，6（3）：54-59．

［2］WU Bao-shan，PAN Zi-ying，XIA Xian，HONG Fangwen．Investagation of The Hydrodynamic Characteristics of Boby of Revolution with Stern Ring-wing［J］．Journal of Ship Mechanics，2003，7（6）：54-59．

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

［4］潘子英，吳寶山，沈泓萃．CFD在潛艇操縱性水動(dòng)力工程預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］．船舶力學(xué)，2004，8（5）：42-51．

Optimal design of the top form of submarine sail

DU Bo HUANG Jian-wei CHEN Yuan
Wuhan Second Ship Design and Research Institute Wuhan 430064

The FLUENT software was used to solve the RANSequation numerically，in order to analyze the resistance，flow field and pressure distribution for different top form of submarine sail．The numerical optimization analysis is carried out also．The results can be used in the design of top form of submarine sail．

CFD submarine top form of sail numerical optimization

U661．1

A

1671-7953（2007）02-0107-04

2006-09-15

修回日期2006-10-27

杜 波（1979—），男，碩士生。