張 菲, 劉宗凱, 周本謀, 李俊偉

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電磁力對(duì)潛艇繞流流場(chǎng)局部擾動(dòng)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(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京, 210094; 2. 南京理工大學(xué) 先進(jìn)發(fā)射協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京, 210094)

潛艇水下航行時(shí), 由于流體粘性的存在導(dǎo)致流動(dòng)分離、壁面邊界層轉(zhuǎn)捩等問(wèn)題, 使得潛艇阻力增大,產(chǎn)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(duì)=107潛艇流場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)和受力變化。結(jié)果表明, 當(dāng)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(shí), 艇身的渦結(jié)構(gòu)被有效抑制, 對(duì)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(shí)阻力下降最多。由此可知, 合理利用適當(dāng)?shù)碾姶帕刂茋鷼み吔鐚拥牧鲃?dòng)能有效抑制不規(guī)則渦的產(chǎn)生及其脫落, 減少流噪聲, 有助于提高潛艇的隱蔽性及動(dòng)力性能。文中研究可為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化潛艇流場(chǎng)問(wèn)題提供參考。

潛艇; 繞流流場(chǎng); 電磁力; 渦

0 引言

潛艇在水下高速行進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離、邊界層轉(zhuǎn)捩及大尺度渦脫落等復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu), 水介質(zhì)與潛艇產(chǎn)生了相互運(yùn)動(dòng)而形成繞潛艇流動(dòng)的流場(chǎng), 這種相互作用及水介質(zhì)內(nèi)部湍流引起的水動(dòng)力噪聲(無(wú)流動(dòng)誘發(fā)的結(jié)構(gòu)共振發(fā)聲水動(dòng)力噪聲也稱為流噪聲), 主要是固體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及流體自身的不規(guī)則運(yùn)動(dòng), 激起流體內(nèi)部應(yīng)力和壓力擾動(dòng), 擾動(dòng)在介質(zhì)內(nèi)的傳遞即為水動(dòng)力噪聲, 嚴(yán)重影響航行器隱身性能。

國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)的研究人員都對(duì)水下潛艇的流場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究工作。如Chase等[1]計(jì)算了E1619型潛艇螺旋槳, 得出螺旋槳開水曲線并與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了對(duì)比。Shariati等[2]分析潛艇航行時(shí)由于流體的粘性, 來(lái)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(xué)特定角度分析了水翼和Suboff裸艇體水下湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu), 模擬顯示出噪聲源的分布。

對(duì)潛艇進(jìn)行多方面研究的目的都是為了改善其航行動(dòng)力性能, 提高隱蔽性。隨著科技的進(jìn)步, 電磁流動(dòng)控制也運(yùn)用到相關(guān)研究中[4-5], 利用電磁力控制物體壁面附近邊界層的流動(dòng)情況, 可影響整個(gè)繞流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(yùn)動(dòng)方向, 可使流體加速, 從而抑制邊界層分離、消除渦街, 達(dá)到減阻的目的[6-9]。文中運(yùn)用電磁流動(dòng)控制方法分析討論電磁力對(duì)潛艇繞流流場(chǎng)的作用效果并進(jìn)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(guò)潛艇頭部或圍殼時(shí)會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離、層流-湍流轉(zhuǎn)捩、渦脫落等現(xiàn)象, 因此會(huì)增加阻力, 產(chǎn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)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(duì)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(shí)阻力下降最多。研究電磁力對(duì)潛艇繞流流場(chǎng)的控制過(guò)程, 減少潛艇阻力, 抑制受力波動(dòng), 對(duì)于提高潛艇的隱蔽性和動(dòng)力性能有重要意義, 為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化潛艇流場(chǎng)問(wèn)題提供參考。

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 控制方程

無(wú)量綱形式的電磁流體控制方程[10]如下

式(2)中的代指無(wú)量綱電磁力, 由邊界層中的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度表示

1.2 計(jì)算模型

選取帶圍殼附體的回轉(zhuǎn)體類潛艇模型對(duì)繞流問(wèn)題進(jìn)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(zhǎng)度分別為0.06、0.69和0.25(為潛艇的長(zhǎng)度, 作為計(jì)算的特征長(zhǎng)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(jié)構(gòu)為指揮臺(tái)圍殼, 圍殼為高0.06的橢圓柱, 其長(zhǎng)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(jì)算)[13]。設(shè)定電磁包覆參數(shù)為,=0表示潛艇無(wú)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(jì)算區(qū)域大小為4× 2× 2, 流動(dòng)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(biāo)原點(diǎn)位于入口下游0.5處, 潛艇首端點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(-0.02, 0.5, 0)。潛艇無(wú)攻角, 左、右面分別為速度入口和壓力出口, 其余4個(gè)側(cè)面為壓力邊界條件, 潛艇表面為無(wú)滑移邊界條件。

將模型運(yùn)用到Linux系統(tǒng)中的開源軟件Gerris進(jìn)行計(jì)算。

圖2 潛艇流場(chǎng)的計(jì)算域圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)分析

沒(méi)有施加電磁力的潛艇流場(chǎng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)。這些渦的生成和脫體會(huì)導(dǎo)致潛艇的振動(dòng)。

圖3 潛艇流場(chǎng)示意圖(A=0, t=45)

利用電磁力可改變流體邊界層結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制[14]。在分析潛艇流場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)之上, 對(duì)電磁力的分布進(jìn)行調(diào)整, 從而最大程度地實(shí)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(jì)算和分析了對(duì)3個(gè)位置(半球形艏部與艇身的結(jié)合處、圍殼頂蓋、圍殼側(cè)表面)包覆電磁力的控制效果。

對(duì)3個(gè)位置分別施加流向電磁力, 流場(chǎng)在計(jì)算時(shí)間=8左右趨于穩(wěn)定, 從=15開始施加電磁力。

=1時(shí)加以電磁力后的潛艇流場(chǎng)等渦量面如圖4所示, 當(dāng)=1.5時(shí), 艇身壁面上的渦已被抑制, 認(rèn)為施加=1.5的電磁力已達(dá)到目標(biāo)效果。同理,=2時(shí), 對(duì)比加力前與不同電磁力作用系數(shù)的流場(chǎng), 認(rèn)為原不加力流場(chǎng)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(dá)到目標(biāo)效果。=3時(shí), 流場(chǎng)圖如圖6所示, 等渦量面在電磁力施加前后無(wú)明顯變化, 此時(shí)取=1.5進(jìn)行分析, 圍殼靠近艇身部分有較長(zhǎng)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(duì)比其他包覆參數(shù)的線狀渦更長(zhǎng), 沒(méi)有達(dá)到抑制效果。

圖4 t=45時(shí)刻下電磁包覆參數(shù)A=1的潛艇繞流流場(chǎng)圖

圖5 t=45時(shí)刻下電磁包覆參數(shù)A=2的潛艇繞流流場(chǎng)圖

從流場(chǎng)圖中來(lái)看, 對(duì)潛艇這3個(gè)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(shí), 流場(chǎng)圖中不規(guī)則形狀的渦變成了線狀渦, 對(duì)抑制渦及其脫落有顯著效果, 反映出直航情況下在整個(gè)流場(chǎng)中生成的渦主要由圍殼頂蓋產(chǎn)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(shí)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(nèi)波動(dòng), 偏航力系數(shù)在–2.45×10–3~1.46×10–3之間波動(dòng), 俯仰力系數(shù)在–1.44×10–3~ –5.15×10–3之間波動(dòng); 對(duì)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(dòng), 俯仰力系數(shù)圍繞–7.67×10–4微小波動(dòng), 加力流場(chǎng)穩(wěn)定后曲線都近乎平緩。

=3情況下, 圖中波動(dòng)幅度減少不明顯,=30~50時(shí)阻力系數(shù)在1.26×10–3~2.11×10–3值域內(nèi)波動(dòng), 對(duì)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(dòng), 如圖7(d), 加力后曲線略有上升趨勢(shì); 俯仰力系數(shù)在–9.53×10–4~–2.59×10–4之間波動(dòng), 變化不大, 略有上升趨勢(shì)。加電磁力后流場(chǎng)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(chǎng)的穩(wěn)定情況, 取計(jì)算時(shí)間=30~50進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 將其數(shù)值進(jìn)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(jié)構(gòu)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(duì)3個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)表面施加電磁力情況下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波動(dòng)分別比不加力的情況下減少了17.43%、33.26%和56.04%。對(duì)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(wú)明顯起伏, 潛艇受力相對(duì)穩(wěn)定, 潛艇航行穩(wěn)定性增加。偏航力有較大幅度的波動(dòng), 施加電磁力后仍是。圍殼蓋加力后流場(chǎng)穩(wěn)定后渦無(wú)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(wú)波動(dòng)。可知, 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(dòng)均有減少, 其中圍殼頂蓋加力后阻力的波動(dòng)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(chǎn)生和脫落。而整個(gè)圍殼側(cè)表面加力時(shí)的受力沒(méi)有大幅波動(dòng), 波動(dòng)減少率比半球形頭部與艇身的結(jié)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(jié)束語(yǔ)

文中基于類潛艇模型, 通過(guò)有限體積法對(duì)電磁控制下的直航潛艇流場(chǎng)衍變和受力特性進(jìn)行了分析, 對(duì)潛艇局部加以電磁力控制, 對(duì)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(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)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(jié)構(gòu), 受力分量中阻力都有所減小且力的波動(dòng)也被抑制。潛艇指揮臺(tái)圍殼對(duì)潛艇繞流流場(chǎng)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(jié)合處及圍殼側(cè)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?jī)H對(duì)直航情況下的潛艇繞流流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析, 后續(xù)會(huì)進(jìn)一步對(duì)不同攻角下的繞流流場(chǎng)進(jìn)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(duì)潛艇繞流流場(chǎng)局部擾動(dòng)優(yōu)化效果[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11702139); 南京理工大學(xué)先進(jìn)固體激光工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)方向.

(責(zé)任編輯: 許 妍)